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JP4376651B2 - 車両用空調装置 - Google Patents

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JP4376651B2 JP2004034939A JP2004034939A JP4376651B2 JP 4376651 B2 JP4376651 B2 JP 4376651B2 JP 2004034939 A JP2004034939 A JP 2004034939A JP 2004034939 A JP2004034939 A JP 2004034939A JP 4376651 B2 JP4376651 B2 JP 4376651B2
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Description

本発明は、車両用原動機（エンジン）と電動機（電動モータ）により駆動力を得ることのできるハイブリッド式の圧縮機を備えた車両用空調装置に関し、とくにそのハイブリッド式圧縮機の消費動力を考慮し、その駆動源をより最適に切り替えることができるようにした制御技術に関する。
車両用空調装置用の圧縮機を、車両エンジン、電動モータの両方によって駆動可能なハイブリッド式圧縮機として車両搭載圧縮機の小型化をはかった提案が知られている（たとえば、特許文献１）。また、ハイブリッド式圧縮機の駆動源を選択する際に、各駆動源を単独で選択した際の圧縮機動力を推定し、値の低い方の駆動源を選択するという制御が先に本出願により提案されている（特許文献２）。
特開平１０−２９１４１５号公報（特許請求の範囲） 特願２００１−２５１５２７（特許請求の範囲）
上記のようなハイブリッド式圧縮機を備えた車両用空調装置においては、冷凍サイクル熱負荷や、車両の運転状態の変化に対応させて、より最適な圧縮機の運転、特により最適な駆動源の選択が求められている。
そこで本発明の課題は、特に車両用原動機により駆動される第１圧縮機構部と電動機により駆動される第２圧縮機構部とを有するハイブリッド式圧縮機を用いた車両用空調装置において、冷凍サイクルへの熱負荷の検知と関連させることにより、熱負荷に応じて圧縮機駆動源をより最適に選択可能であること、さらに選択された圧縮機駆動源による圧縮機の駆動によって生じた冷凍サイクルの状態の検知と関連させることにより、その状態に応じて圧縮機駆動源を選択することによって、より最適に駆動源を選択可能であることに着目し、これらをとくにハイブリッド式圧縮機の消費動力と関連させて制御するようにした車両用空調装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る車両用空調装置は、冷凍サイクルに設けられ、車両用原動機により駆動される第１圧縮機構部と電動機により駆動される第２圧縮機構部とを有するハイブリッド式圧縮機と、該圧縮機の駆動源を選択し必要に応じて駆動源を切り替える圧縮機駆動源選択手段と、圧縮機が駆動されている際に冷凍サイクルの状態を検知する冷凍サイクル状態検知手段とを備えた車両用空調装置において、前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機または電動機のいずれかが選択されているとき、前記冷凍サイクル状態検知手段により検知される検知量を参照することにより、選択中駆動源における圧縮機の消費動力を推定し、推定された選択中駆動源による圧縮機の消費動力を参照することにより、該選択中駆動源によるのと同等の冷房能力を発生させるために要する非選択駆動源による圧縮機の消費動力を推定することを特徴とするものからなる。これによってまず、現在の圧縮機駆動源の選択が、圧縮機の消費動力の面から適切か否かの判断が可能になる。
また、本発明では、ハイブリッド式圧縮機は、第１圧縮機構部と第２圧縮機構部とが別体に構成されていることも可能であり、第１圧縮機構部と第２圧縮機構部とが一体に組み付けられている構成を採用することもできる。すなわち、本発明に係る車両用空調装置は、冷凍サイクルに設けられ、車両用原動機により駆動される第１圧縮機構部と電動機により駆動される第２圧縮機構部とが一体に組み付けられているハイブリッド式圧縮機と、該圧縮機の駆動源を選択し必要に応じて駆動源を切り替える圧縮機駆動源選択手段と、圧縮機が駆動されている際に冷凍サイクルの状態を検知する冷凍サイクル状態検知手段とを備えた車両用空調装置において、前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機または電動機のいずれかが選択されているとき、前記冷凍サイクル状態検知手段により検知される検知量を参照することにより、選択中駆動源における圧縮機の消費動力を推定し、推定された選択中駆動源による圧縮機の消費動力を参照することにより、該選択中駆動源によるのと同等の冷房能力を発生させるために要する非選択駆動源による圧縮機の消費動力を推定することを特徴とするものからなる。
この本発明に係る車両用空調装置においては、上記の如く、前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機または電動機のいずれかが選択されているとき、前記冷凍サイクル状態検知手段による検知量を参照することにより推定される選択中駆動源による圧縮機の消費動力を参照することにより、該選択中駆動源によるのと同等の冷房能力を発生させるために要する非選択駆動源による圧縮機の消費動力を推定する。
また、本発明に係る技術思想に基づく車両用空調装置においては、冷凍サイクルへの熱負荷を検知する冷凍サイクル負荷検知手段を備え、前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機または電動機のいずれかが選択されているとき、前記冷凍サイクル負荷検知手段により検知された検知量より非選択駆動源による圧縮機の消費動力を推定するようにすることも可能である。
このような構成により、現在選択中の駆動源を切り替えてもよいか否かの判断基準を得ることが可能である。すなわち、圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機または電動機のいずれかが選択されているとき、前記選択中駆動源による圧縮機の消費動力と前記非選択駆動源による圧縮機の消費動力を参照することにより、前記圧縮機駆動源選択手段による駆動源の切替を行うことができる。切替に際しては、前記選択中駆動源による圧縮機の消費動力と前記非選択駆動源による圧縮機の消費動力を比較し、消費動力の小さい方の駆動源を選択するようにすることができる。
また、本発明に係る車両用空調装置においては、前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機が選択されているとき、前記冷凍サイクル状態検知手段により検知された検知量を参照することにより推定される圧縮機の消費動力を参照して推定される電動機駆動選択時の消費動力が予め設定される所定値よりも大きいときには、駆動源として電動機を選択しないようにすることもできる。すなわち、上記消費動力の推定、比較により、切替を行う際の電動機選択に対する電力制限制御を行うことが可能になる。
また、本発明に係る車両用空調装置においては、前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機が選択されているとき、予め設定された単位時間当たりの圧縮機の平均消費動力値を、前記冷凍サイクル状態検知手段の検知量を参照することにより算出し、前記平均消費動力値が予め設定された設定値未満のときには、駆動源として電動機を選択することもできる。すなわち、低負荷時には、駆動源として電動機を選択するようにすることができる。
また、前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機が選択されているとき、予め設定された単位時間当たりの圧縮機の平均消費動力値を、前記冷凍サイクル状態検知手段の検知量を参照することにより算出し、前記平均消費動力値が予め設定された設定値以上のときには、駆動源として電動機を単独では選択しないようにすることもできる。つまり、高負荷時には駆動源として電動機を使用することを禁止することができる。
また、本発明に係る車両用空調装置は、車両用原動機と圧縮機との接続または遮断を行う電磁クラッチを備えることができ、前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機が選択されているとき、前記電磁クラッチの通電状態時における圧縮機消費動力を算出し、算出された消費動力値が予め設定された所定値以上のときには、駆動源として電動機を選択するようにすることもできる。これは、とくに高速運転時に駆動源として電動機を選択するようにすることを意図した制御である。
本発明に係る車両用空調装置における前記冷凍サイクル状態検知手段としては、冷凍サイクルにおける高圧側圧力または低圧側圧力、または冷媒流量、または車両のエンジン回転数、または前記電動機への入力電流、または前記電動機を駆動するインバータへの入力電圧、または圧縮機の稼動率、または圧縮機吐出容量制御信号のうち少なくとも一つを検知するものとして構成できる。
また、前記冷凍サイクル負荷検知手段は、外気温度、または車室内温度、または日射量、またはブロワ風量、または蒸発器出口目標空気温度、または車速のうち少なくとも一つを検知するものとして構成できる。
このように本発明においては、ハイブリッド圧縮機の消費動力に着目し、冷凍サイクル負荷検知手段の検知量や冷凍サイクル状態検知手段の検知量を参照して、とくに現在選択中の駆動源による消費動力の推定および非選択駆動源による消費動力の推定を行うことにより、より最適な切替制御や制限制御を行うことが可能になる。
本発明に係る車両用空調装置によれば、冷凍サイクルへの熱負荷を検知し、熱負荷に応じて、より省動力となるように駆動源を選択することができる。さらに、選択された駆動源によって生じた冷凍サイクルの状態を検知することにより、エンジン回転数等の変化に対応した切替制御を行うことができるため、圧縮機における消費動力のさらなる低減が可能となる。したがって、冷凍サイクル熱負荷や、車両の運転状態の変化に対応させて、より効率の高い圧縮機の運転、特により最適な駆動源の選択が可能となり、最適な駆動源切替制御を行うことができる。
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面をしながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る車両用空調装置のシステム構成図である。冷凍サイクル１には、車両用原動機としてのエンジン２により駆動される第１圧縮機構部と、電力供給により駆動する電動機３（モータ）により駆動される第２圧縮機構部とを有する、本実施態様では第１圧縮機構部と第２圧縮機構部が一体に組み付けられているハイブリッド式の圧縮機４が設けられており、エンジン２の駆動力は電磁クラッチ５によって伝達される。この２つの駆動源を持つハイブリッド圧縮機４により圧縮された高温高圧の冷媒が、凝縮器６により外気と熱交換して冷却され、凝縮し液化する。受液器７により気液が分離され、液冷媒が膨張弁８によって減圧される。減圧された低圧の冷媒は、冷却器としての蒸発器９に流入して、送風機１０により送風された空気と熱交換する。蒸発器９において蒸発し気化した冷媒は再びハイブリッド圧縮機４に吸入され圧縮される。
車室内空調を行う空気が通過する通風ダクト１１の入口には、切替ダンパ１２により吸入空気が選択される外気導入口１３と内気導入口１４が設けられている。通風ダクト１１内には、送風機１０、蒸発器９、エアミックスダンパ１５、加熱器としてのヒータコア１６が備えられており、エアミックスダンパアクチュエータ１７によるエアミックスダンパ１５の開度調整により、蒸発器９のみを通過した空気とヒータコア１６を通過した空気との混合割合が調整される。通風ダクト１１の下流側には、ＤＥＦ、ＶＥＮＴ、ＦＯＯＴ等の各吹き出し口２１、２２、２３が設けられており、各ダンパ２４、２５、２６により所定の吹き出し口が選択されるようになっている。
メインコントローラ３１からは、電磁クラッチ５を制御するためのクラッチコントローラ３２にクラッチ信号が、電動機３（モータ）のモータドライバにモータ制御信号が、エアミックスダンパアクチュエータ１７にエアミックスダンパ開度信号が、それぞれ出力され、メインコントローラ３１には、電動機３（モータ）からモータ回転数信号が、エンジン２からエンジン回転数信号Ｎｅが、それぞれ入力される。
また、空調制御のための各種センサとして、蒸発器９通過後の空気温度Ｔｅｖａ（エバ出口空気温度）を検知する冷却器（蒸発器）出口空気温度センサ４１、車室内空気温度を検知する車室内温度センサ４２、外気温度Ｔａｍｂを検知する外気温度センサ４３、日射量Ｒｓｕｎを検知する日射センサ４４が設けられており、各検知信号がメインコントローラ３１に入力される。本実施態様では、この他にも、モータ消費電力Ｗｍ、冷凍サイクルの高圧側圧力Ｐｄ、車速ＶＳ、蒸発器出口目標空気温度Ｔｏｆｆ（目標蒸発温度）の各信号がメインコントローラ３１に入力されるようになっている。
このような車両用空調装置において、ハイブリッド式圧縮機４の切替または消費動力算出に必要となる情報としては、たとえば図２または図３にも示すように、以下のようなものが挙げられる。
冷凍サイクル負荷検知手段として検知するもの（以下のうち少なくとも一つを検知）： 外気温度(Tam)
車室内温度（Tin）
日射量(Rsun)
ブロワ風量(BLV)
車速(VS)
蒸発器出口目標空気温度(Toff)
冷凍サイクル状態検知手段として検知するもの（以下のうち少なくとも一つを検知）： 低圧側冷媒圧力(Ps)
高圧側冷媒圧力(Pd)
高圧側冷媒温度(Td)
低圧側冷媒温度(Ts)
冷媒流量(Flow)
コンプレッサ稼動率(CL)
電動モータ入力電流(Im)
インバータ入力電圧(Vm) (インバータ：電動モータ駆動装置)
エンジン回転数(Ne)
次に、冷凍サイクル状態検知手段の検知量を参照した圧縮機消費動力推定方法の例について説明する。
Ａ．高圧側冷媒圧力Pdとエンジン回転数Neを検知する。
コンプレッサトルク(Trq)を計算する。
Trq = f(Pd)
コンプレッサ動力(W)を算出する。
W = f(Trq,Nm)
Ｂ．高圧側冷媒圧力(Pd)と低圧側冷媒圧力(Ps)とエンジン回転数Neを検知する。
コンプレッサトルク(Trq)を計算する。
Trq = f(Pd,Ps)
コンプレッサ動力(W)の算出する。
W = f(Trq,Ne)
Ｃ．高圧Pd、低圧Ps、高圧側冷媒温度Td、低圧側冷媒温度Ts、冷媒流量Flowを検知する。 コンプレッサ入口と出口のエンタルピー差(H)を算出する。
H = f(Pd,Ps,Td,Ts)
コンプレッサ動力(W)の算出する。
W = f(H,Flow)
Ｄ．クラッチサイクリング時の平均動力(W)を算出する。
コンプレッサ稼動率CLを検知する。
コンプレッサが稼動時（クラッチON時）におけるコンプレッサ動力(Won)をＡ〜Ｃのいずれかにより算出する。
平均動力(W)を算出する。
W = Won * CL
Ｅ．電動モータにより駆動時の消費動力を算出する。
電動モータ入力電流(Im)とインバータ入力電圧(Vm)を検知し、電動モータ消費電力(P)を算出する。
P = Im * Vm
コンプレッサ動力(W)を算出する。
W = f(P,ηISG)
ここで ηISGは車両の発電効率とする。
次に、作動中（現在選択中の駆動源により駆動中）の消費動力算出及び非作動側（非選択側の駆動源による）消費動力算出（推定）方法及び切替方法について説明する。
（１）エンジンによる駆動時のコンプレッサ消費動力算出方法（作動側及び非作動側動力）
たとえば図２に示すように、高圧側冷媒圧力Pdと、エンジン回転数Neと、エバ出口空気温度Tevaと、ブロワ電圧BLVを検知し、エンジン駆動時のコンプレッサ消費動力Wvs1を次式により算出する。
Wvs1＝f(Pd,Ne,Teva,BLV)（作動側動力）
エンジン駆動側と同等の冷房能力を電動モータ駆動により発生させるとした場合の消費動力Wms1を、次式により、エンジン回転数Neと、車速VSと、上記算出のエンジン駆動時コンプレッサ消費動力Wvs1を用いて算出（推定）する。
Wms1＝f(Wvs1,Ne,VS)（非作動側動力）
そして、上記算出消費動力を比較して小さい方の駆動源を選択する。
（２）モータによる駆動時の消費動力算出については、電動モータ消費電力Winと、車両側発電効率ηISGを検知する。
電動モータ駆動時コンプレッサ消費動力Wms2を次式により算出する。
Wms2＝f(Win,ηISG) （作動側動力）
電動モータ駆動時と同等の冷房能力をエンジン駆動により発生させるとした場合の消費動力Wvs2、次式により、エンジン回転数Neと、車速VSと、上記算出の電動モータ駆動時コンプレッサ消費動力Wms2を用いて算出（推定）する。
Wvs2=f(Wms2,Ne,VS)（非作動側動力）
そして、上記算出消費動力を比較して小さい方の駆動源を選択する。
非選択駆動源により駆動される場合の圧縮機消費動力を、熱負荷によって推定する場合には、たとえば図３に示すように、エンジン駆動中におけるモータ駆動による圧縮機消費動力の推定は、目標蒸発温度Toff、ブロワ電圧BLV 、車速VS、外気温度Tambから、f(Toff,BLV,VS,Tamb) によって求められ、モータ駆動中におけるエンジン駆動による圧縮機消費動力の推定は、f(Toff,BLV,VS,Tamb) によって求められる。
駆動源選択の流れとしては、たとえば次のように行われる。
冷凍サイクル負荷検知手段により検知された検知量により、駆動源選択を行う。→選択された駆動源により圧縮機を駆動する。→以下は選択中駆動源による動力算出を行い駆動源を選択する。
〔エンジンによる駆動時〕
＜パターン１＞
たとえば図４に示すように、圧縮機消費動力の平均値がある設定値未満になると、電動機に切り替える（つまり、低負荷時には電動機駆動に切り替える）。
消費動力の平均値がある設定値以上のときには、エンジン駆動のままとする（高負荷時電動禁止）。また、たとえば図５に示すように、クラッチON時における圧縮機消費動力がある値以上になると、電動機駆動に切り替えることもできる（つまり、高速時に電動機駆動に切り替える）。
＜パターン２＞
前述のＡによりコンプレッサ消費動力を算出し、消費動力の低いほうの駆動源を選択することもできる。
〔電動モータによる駆動時〕
＜パターン１＞
車両走行時において、電動モータの消費電力が電力制限値以上となっている ときには、エンジン駆動に切り替える。または、車両走行時において、エバ出口空気温度が目標の温度に到達しないときには、エンジン駆動に切り替える。
＜パターン２＞
前述のＢによりコンプレッサ消費動力を算出し、消費動力の低い方の駆動源を選択する。但し、アイドルストップ時は電動モータで駆動する。
このように、本発明においては、圧縮機消費動力の推定に基づいて、各種のパターンでの駆動源選択、切替制御が可能である。
なお、上記実施態様は、車両用原動機により駆動される第１圧縮機構部と電動機により駆動される第２圧縮機構部とが一体に組み付けられているハイブリッド式圧縮機を有する車両用空調装置について説明したが、本発明は、前述したように、第１圧縮機構部と第２圧縮機構部とが別体に構成されたハイブリッド式圧縮機を有する車両用空調装置についても同様に適用可能である。
本発明に係る車両用空調装置は、車両用原動機により駆動される第１圧縮機構部と電動機により駆動される第２圧縮機構部とを備えたハイブリッド式圧縮機を有する車両用空調装置に適用でき、特にこれら第１圧縮機構部と第２圧縮機構部とが一体に組み付けられているハイブリッド式圧縮機を有する車両用空調装置に好適なものである。
本発明の一実施態様に係る車両用空調装置のシステム構成図である。 図１の車両用空調装置の制御の一例を示すブロック図である。 図１の車両用空調装置の制御の別の例を示すブロック図である。 図１の車両用空調装置における、駆動源切替制御の一例を示す特性図である。 図１の車両用空調装置における、駆動源切替制御の別の例を示す特性図である。
符号の説明
１ 冷凍サイクル
２ 車両用原動機（エンジン）
３ 電動機（モータ）
４ ハイブリッド式圧縮機
５ 電磁クラッチ
６ 凝縮器
７ 受液器
８ 膨張弁
９ 冷却器（蒸発器）
１０ 送風機
１１ 通風ダクト
１２ 切替ダンパ
１３ 外気導入口
１４ 内気導入口
１５ エアミックスダンパ
１６ 加熱器としてのヒータコア
１７ エアミックスダンパアクチュエータ
２１、２２、２３ 吹き出し口
２４、２５、２６ ダンパ
３１ メインコントローラ
３２ クラッチコントローラ
４１ 冷却器（蒸発器）出口空気温度センサ
４２ 車室内温度センサ
４３ 外気温度センサ
４４ 日射センサ

Claims (9)

  1. 冷凍サイクルに設けられ、車両用原動機により駆動される第１圧縮機構部と電動機により駆動される第２圧縮機構部とを有するハイブリッド式圧縮機と、該圧縮機の駆動源を選択し必要に応じて駆動源を切り替える圧縮機駆動源選択手段と、圧縮機が駆動されている際に冷凍サイクルの状態を検知する冷凍サイクル状態検知手段とを備えた車両用空調装置において、前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機または電動機のいずれかが選択されているとき、前記冷凍サイクル状態検知手段により検知される検知量を参照することにより、選択中駆動源における圧縮機の消費動力を推定し、推定された選択中駆動源による圧縮機の消費動力を参照することにより、該選択中駆動源によるのと同等の冷房能力を発生させるために要する非選択駆動源による圧縮機の消費動力を推定することを特徴とする車両用空調装置。
  2. 冷凍サイクルに設けられ、車両用原動機により駆動される第１圧縮機構部と電動機により駆動される第２圧縮機構部とが一体に組み付けられているハイブリッド式圧縮機と、該圧縮機の駆動源を選択し必要に応じて駆動源を切り替える圧縮機駆動源選択手段と、圧縮機が駆動されている際に冷凍サイクルの状態を検知する冷凍サイクル状態検知手段とを備えた車両用空調装置において、前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機または電動機のいずれかが選択されているとき、前記冷凍サイクル状態検知手段により検知される検知量を参照することにより、選択中駆動源における圧縮機の消費動力を推定し、推定された選択中駆動源による圧縮機の消費動力を参照することにより、該選択中駆動源によるのと同等の冷房能力を発生させるために要する非選択駆動源による圧縮機の消費動力を推定することを特徴とする車両用空調装置。
  3. 前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機または電動機のいずれかが選択されているとき、前記選択中駆動源による圧縮機の消費動力と前記非選択駆動源による圧縮機の消費動力推定値を参照することにより、前記圧縮機駆動源選択手段による駆動源を選択する、請求項１または２の車両用空調装置。
  4. 前記選択中駆動源による圧縮機の消費動力と前記非選択駆動源による圧縮機の消費動力を比較し、消費動力の小さい方の駆動源を選択する、請求項３の車両用空調装置。
  5. 前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機が選択されているとき、前記冷凍サイクル状態検知手段により検知された検知量を参照することにより推定される圧縮機の消費動力を参照して推定される電動機駆動選択時の消費動力が予め設定される所定値よりも大きいときには、駆動源として電動機を選択しない、請求項３または４の車両用空調装置。
  6. 前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機が選択されているとき、予め設定された単位時間当たりの圧縮機の平均消費動力値を、前記冷凍サイクル状態検知手段の検知量を参照することにより算出し、前記平均消費動力値が予め設定された設定値未満のときには、駆動源として電動機を選択する、請求項１または２に記載の車両用空調装置。
  7. 前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機が選択されているとき、予め設定された単位時間当たりの圧縮機の平均消費動力値を、前記冷凍サイクル状態検知手段の検知量を参照することにより算出し、前記平均消費動力値が予め設定された設定値以上のときには、駆動源として電動機を単独では選択しない、請求項１または２に記載の車両用空調装置。
  8. 車両用原動機と圧縮機との接続または遮断を行う電磁クラッチを備え、前記圧縮機駆動源選択手段により駆動源として車両用原動機が選択されているとき、前記電磁クラッチの通電状態時における圧縮機消費動力を算出し、算出された消費動力値が予め設定された所定値以上のときには、駆動源として電動機を選択する、請求項１または２に記載の車両用空調装置。
  9. 前記冷凍サイクル状態検知手段は、冷凍サイクルにおける高圧側圧力または低圧側圧力、または冷媒流量、または車両のエンジン回転数、または前記電動機への入力電流、または前記電動機を駆動するインバータへの入力電圧、または圧縮機の稼動率、または圧縮機吐出容量制御信号のうち少なくとも一つを検知する、請求項１〜８のいずれかに記載の車両用空調装置。
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