JP7523298B2

JP7523298B2 - 熱マネジメントシステム

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Publication number: JP7523298B2
Application number: JP2020158973A
Authority: JP
Inventors: 智規原口
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2024-07-26
Anticipated expiration: 2040-09-23
Also published as: JP2022052534A; DE112021003579T5; US20230349606A1; WO2022064930A1; CN116056932A

Description

本発明は、電動車両用に適した熱マネジメントシステムに関するものである。

電動車両で採用される熱マネジメントシステムは、バッテリー，走行用電動モータ，インバータなどを冷却するために、熱媒体（水）回路を備えている。この熱媒体回路は、熱交換部を介してバッテリーなどの熱管理対象から熱を受けた熱媒体が、空気熱交換部（ラジエータ）を通過する間に、熱を車両外部に放出する（下記特許文献１参照）。

また、運転中に高温になるバッテリーなどを更に冷却するために、空調用冷媒回路と熱媒体回路の熱交換を行うことがなされており、冷媒回路の吸熱によって、バッテリーなどを冷却する熱媒体の温度を下げることがなされている（下記特許文献２参照）。

特開２０２０－１０５９４２号公報特開２０１８－４３７４１号公報

電動車両における車両部品の熱管理は、冷却だけでなく適切な温度範囲に温調することが必要になる場合がある。バッテリーの温調は、最適温度が２５℃程度であり、外気温が低い場合には、熱媒体を電気ヒーターで温めてバッテリー用の熱交換部に流すことが行われている。このため、エネルギーの利用効率が悪く、消費電力が大きくなってしまう問題があった。

これに対しては、暖房用のヒートポンプを利用して、熱媒体を温めることが検討されている。しかしながら、バッテリーの最適温度（２５℃程度）に対して暖房に必要な吹き出し温度は４０～６０℃程度と温度域が異なるため、単純に暖房に使用するヒートポンプでバッテリー温調用の熱媒体を温めてしまうと、バッテリー温度が高くなりすぎてしまう問題が生じる。また、バッテリー以外の熱管理対象の温調においても、状況に応じて様々な温度範囲での温調が望まれているが、ヒートポンプによる熱媒体の加温のみでは、温度域を適切に設定できない問題がある。

本発明は、このような事情に対処することを課題としている。すなわち、エネルギーの利用効率が高く、消費電力を低減することができ、所望の温度域で熱管理対象の温調を行うことができるようにすること、などが本発明の課題である。

このような課題を解決するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。
冷媒が循環する冷媒回路と、第１ポンプによって圧送された熱媒体が、前記冷媒の放熱により高温になって循環する高温側熱媒体回路と、第２ポンプによって圧送された熱媒体が、前記冷媒の吸熱により低温になって循環する低温側熱媒体回路を有する熱マネジメントシステムにおいて、熱管理対象の温調を行う温調用熱交換部と、前記温調用熱交換部の上流側に接続され、前記高温側熱媒体回路の高温熱媒体と前記低温側熱媒体回路の低温熱媒体を熱管理対象の目標温度に応じた比率で混合する熱媒体混合部と、前記温調用熱交換部の下流側に接続され、前記温調用熱交換部を経由した熱媒体を前記高温側熱媒体回路と前記低温側熱媒体回路に戻す分岐部と、を備え、前記分岐部で分流された熱媒体の一方は、前記第１ポンプの上流側で第１接続部から前記高温側熱媒体回路に戻り、前記分岐部で分流された熱媒体の他方は、前記第２ポンプの上流側で第２接続部から前記低温側熱媒体回路に戻り、前記分岐部と前記第１接続部との間の流路及び前記分岐部と前記第２接続部との間の流路にそれぞれ逆止弁を設けた、ことを特徴とする熱マネジメントシステム。

このような特徴を備えた熱マネジメントシステムは、エネルギーの利用効率が高く、消費電力を低減することができ、所望の温度域で熱管理対象の温調を行うことができる。

本発明の実施形態にかかる熱マネジメントシステムの基本構成を示した説明図。本発明の実施形態にかかる熱マネジメントシステムの具体的な構成例を示した説明図。熱マネジメントシステムの動作モードの一例を説明する説明図。熱マネジメントシステムの動作モードの一例を説明する説明図。熱マネジメントシステムの動作モードの一例を説明する説明図。熱マネジメントシステムの動作モードの一例を説明する説明図。熱マネジメントシステムの動作モードの一例を説明する説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。

図１に示すように、本発明の実施形態にかかる熱マネジメントシステム１は、冷媒回路１０、高温側熱媒体回路２０、低温側熱媒体回路３０を備えている。冷媒回路１０は、冷媒が循環する回路であって、圧縮機１１と凝縮器１２と膨張弁１３と蒸発器１４が、順次冷媒配管で接続された閉回路を示しているが、冷媒回路１０は、これに限らず、例えば、圧縮機１１の上流にアキュムレータを備えるような回路であってもよい。

高温側熱媒体回路２０は、冷媒回路１０における凝縮器１２と一体になって、熱媒体－冷媒の熱交換を行う高温側熱交換部２１を備えており、第１ポンプ２２によって圧送された熱媒体が、高温側熱交換部２１を通過する間に冷媒回路１０における凝縮器１２での冷媒の放熱で高温になって循環する。

低温側熱媒体回路３０は、冷媒回路１０における蒸発器１４と一体になって、熱媒体－冷媒の熱交換を行う低温側熱交換部３１を備えており、第２ポンプ３２によって圧送された熱媒体が、低温側熱交換部３１を通過する間に冷媒回路１０における蒸発器１４での冷媒の吸熱で低温になって循環する。

高温側熱媒体回路２０と低温側熱媒体回路３０の熱媒体としては、何も添加剤が入っていない水或いは不凍性剤や防腐剤等の添加剤が混合された水、更には油等の液熱媒体などを採用することができる。

そして、熱マネジメントシステム１は、例えば、電動車両におけるバッテリー等の熱管理対象Ｍの温調を行う温調用熱交換部４０を備えており、温調用熱交換部４０の上流側には、熱媒体混合部５０が接続され、温調用熱交換部４０の下流側には、分岐部Ｄが接続されている。

熱媒体混合部５０は、高温側熱媒体回路２０の高温熱媒体と低温側熱媒体回路３０の低温熱媒体を熱管理対象Ｍの目標温度に応じた比率で混合するものであり、図示省略した制御部によって混合比率が制御される流量制御弁によって構成される。

分岐部Ｄは、温調用熱交換部４０を経由した熱媒体を高温側熱媒体回路２０と低温側熱媒体回路３０に戻す分岐流路である。分岐部Ｄは、第１ポンプ２２の上流側で第１接続部Ｃ１にて高温側熱媒体回路２０に接続されており、第２ポンプ３２の上流側で第２接続部Ｃ２にて低温側熱媒体回路３０に接続されている。

このような熱マネジメントシステム１によると、ヒートポンプの放熱と吸熱を利用して、熱管理対象Ｍの温調を行うことができるので、電気ヒーターを別途設ける場合と比較して、エネルギーの利用効率が高く、消費電力を低減することができる。また、高温側熱媒体回路２０の高温熱媒体と低温側熱媒体回路３０の低温熱媒体を所望の比率で混合させて温調用熱交換部４０に供給するので、熱管理対象Ｍの目標温度に応じた温調を任意の温度域で行うことができる。

温調用熱交換部４０を経由した熱媒体は、分岐部Ｄで分流され、第１接続部Ｃ１から高温側熱媒体回路２０に戻り、第２接続部Ｃ２から低温側熱媒体回路３０に戻る。その際の分流比率は、特に分配用の弁装置などを設けなくても、熱媒体混合部５０で設定された混合比率に応じて成り行きで戻されることになる。これにより、簡素な熱媒体の回路構成でありながら、所望の温度域の温調を少ない電力消費で行うことが可能になる。

図２によって、熱マネジメントシステム１の具体的な構成例を説明する。ここでは、電動車両の様々な車両部品や空調装置が熱管理の対象になっている。熱管理対象の車両部品としては、バッテリーＭ１とインバータＭ２とモータＭ３を図示しており、空調装置としては、車室内空間の空調を行う主空調ユニットＭ４とシートなどに設けられ、乗員に対しての空調を行う個別空調ユニットＭ５，Ｍ６を図示している。これらの熱管理対象には、それぞれ温調用熱交換部４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７が各々の熱管理対象と熱交換可能に取り付けられている。

図２に示した熱マネジメントシステム１は、前述したように、冷媒回路１０と高温側熱媒体回路２０と低温側熱媒体回路３０を備えている。そして、温調用熱交換部４１，４４，４５，４６，４７には、その上流側に熱媒体混合部５１，５２，５３，５５，５４がそれぞれ接続されており、高温側熱媒体回路２０の高温熱媒体と低温側熱媒体回路３０の低温熱媒体が、熱媒体混合部５１，５２，５３，５５，５４にて目標温度に応じた混合比率で混合され、その混合で温度調整された熱媒体が、各温調用熱交換部４１，４４，４５，４６，４７に供給されている。また、目標温度を設定しない温調用熱交換部４２，４３は、空気熱交換部（ラジエータ）６１と第３ポンプ６２を備える空冷熱媒体回路６０に接続されている。熱マネジメントシステム１の構成例としては、追加的に電気ヒーター２を配備しても良い。

高温側熱媒体回路２０と低温側熱媒体回路３０と空冷熱媒体回路６０は、弁装置Ｖ１～Ｖ１２を介してそれぞれ所定の流路に接続されている。ここで、弁装置Ｖ１，Ｖ２は、三方弁であり、３方向の流路が選択的に切り替え可能になっており、弁装置Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８は、二方弁であり、流路の開閉が可能になっている。また、弁装置Ｖ９，Ｖ１０，Ｖ１１は、逆止弁であり、流路の逆流を止めている。

そして、目標温度を設定して温調を行う温調用熱交換部４１，４６，４７の下流側の流路には、分岐部Ｄが設けられ、分岐部Ｄは、第１接続部Ｃ１にて高温側熱媒体回路２０における第１ポンプ２２の上流側に接続されており、第２接続部Ｃ２にて低温側熱媒体回路３０における第２ポンプ３２の上流側に接続されている。

このような熱マネジメントシステム１の動作モード例を以下に説明する。図３～図７は、熱マネジメントシステム１の各動作モードでの回路状態を示している。ここでは、二重線で示した流路には高温熱媒体が流れ、太線で示した流路には低温熱媒体が流れ、普通実線で示した流路には高温熱媒体と低温熱媒体の混合熱媒体又は空気熱交換された熱媒体などが流れる。破線で示した流路は、弁装置Ｖ１，Ｖ２の流路選択或いは弁装置Ｖ３～Ｖ８の開閉を適宜選択的に行うことで、不使用状態になっている。

図３に示した回路状態は、空調装置による冷房とバッテリーＭ１の冷却を行う動作モードである。

この例では、高温側熱交換部２１を経由した高温熱媒体は、熱媒体混合部５１～５５の片側入り口に送られると共に、弁装置Ｖ３の上流側で分岐して、空気熱交換部６１に送られている。この際、高温側熱媒体回路２０は、第１ポンプ２２、高温側熱交換部２１、弁装置Ｖ３、空気熱交換部６１、弁装置Ｖ１，Ｖ４を順次通過する循環回路になっている。

また、低温側熱交換部３１を経由した低温熱媒体は、熱媒体混合部５１～５５の片側入り口に送られており、低温側熱媒体回路３０は、第２ポンプ３２、低温側熱交換部３１、熱媒体混合部５２，５３、温調用熱交換部４４，４５、弁装置Ｖ６を順次通過する循環回路になっている。

そして、熱媒体混合部５１で混合されて設定温度になった熱媒体は、弁装置Ｖ１１を介して、バッテリーＭ１の温調用熱交換部４１に送られ、バッテリーＭ１を目標温度に温調している。温調用熱交換部４１を経由した熱媒体は、弁装置Ｖ７を経由して、分岐部Ｄで分流され、一方は、第１接続部Ｃ１から高温側熱媒体回路２０に戻り、他方は、第２接続部Ｃ２から低温側熱媒体回路３０に戻る。

また、熱媒体混合部５４で混合されて設定温度になった熱媒体は、個別空調ユニットＭ６の温調用熱交換部４７に送られ、個別空調ユニットＭ６を目標温度に温調している。温調用熱交換部４７を経由した熱媒体は、温調用熱交換部４１を経由した熱媒体と合流し、分岐部Ｄで分流され、一方は、第１接続部Ｃ１から高温側熱媒体回路２０に戻り、他方は、第２接続部Ｃ２から低温側熱媒体回路３０に戻る。

また、熱媒体混合部５２，５３で混合されてそれぞれの設定温度になった熱媒体は、主空調ユニットＭ４の温調用熱交換部４４，４５に送られる。温調用熱交換部４４，４５は、各々温度設定が可能なクーラコアとして機能し、冷房用の空調装置を構成している。

図４に示した回路状態は、主空調ユニットＭ４の空調装置をクーラコアとヒータコアによって構成し、バッテリーＭ１の冷却を空冷熱媒体回路６０に流れる熱媒体によって行う動作モードである。

この例では、主空調ユニットＭ４の一方の温調用熱交換部４４がクーラコアとして機能し、もう一方の温調用熱交換部４５がヒータコアとして機能する。この際の高温側熱媒体回路２０は、第１ポンプ２２、高温側熱交換部２１、弁装置Ｖ３、空気熱交換部６１、弁装置Ｖ１，Ｖ４を順次通過する循環回路に、高温側熱交換部２１から熱媒体混合部５３を介してヒータコアとして機能する温調用熱交換部４５を経由して第１ポンプ２２に戻る回路が加わっている。

この例においても、熱媒体混合部５４で混合されて設定温度になった熱媒体は、個別空調ユニットＭ６の温調用熱交換部４７に送られ、個別空調ユニットＭ６を目標温度に温調しており、温調用熱交換部４７を経由した熱媒体は、分岐部Ｄで分流され、一方は、第１接続部Ｃ１から高温側熱媒体回路２０に戻り、他方は、第２接続部Ｃ２から低温側熱媒体回路３０に戻る。

この例では、バッテリーＭ１の温調用熱交換部４１は、インバータＭ２の温調用熱交換部４２とモータＭ３の温調用熱交換部４３と並列して、空冷熱媒体回路６０に接続されている。

図５に示した回路状態は、除湿暖房を行う動作モードである。

この例では、図４に示した例と同様に、主空調ユニットＭ４の一方の温調用熱交換部４４がクーラコアとして機能し、もう一方の温調用熱交換部４５がヒータコアとして機能している。高温側熱媒体回路２０は、第１ポンプ２２、高温側熱交換部２１、熱媒体混合部５３、ヒータコアとして機能する温調用熱交換部４５を経由して第１ポンプ２２に戻る回路になり、低温側熱媒体回路３０は、第２ポンプ３２、低温側熱交換部３１、熱媒体混合部５２、クーラコアとして機能する温調用熱交換部４４を経由して第２ポンプ３２に戻る回路になっている。

この例では、個別空調ユニットＭ６の温調用熱交換部４７に、低温熱媒体が混合されない高温熱媒体が、熱媒体混合部５４を介して送られており、温調用熱交換部４７を経由した熱媒体は、分岐部Ｄで分流され、一方は、第１接続部Ｃ１から高温側熱媒体回路２０に戻り、他方は、第２接続部Ｃ２から低温側熱媒体回路３０に戻っている。

バッテリーＭ１の温調用熱交換部４１は、図４に示した例と同様、インバータＭ２の温調用熱交換部４２とモータＭ３の温調用熱交換部４３と並列して、空冷熱媒体回路６０に接続されている。

図６に示した回路状態は、暖房とバッテリーの暖機を行う動作モードである。

この例では、主空調ユニットＭ４の温調用熱交換部４４，４５が両方ともヒータコアとして機能している。高温側熱媒体回路２０は、第１ポンプ２２から、高温側熱交換部２１、熱媒体混合部５２，５３、ヒータコアとして機能する温調用熱交換部４４，４５、弁装置Ｖ６を経由して第１ポンプ２２に戻る回路になっている。

これに対して、低温側熱媒体回路３０は、第２ポンプ３２から、低温側熱交換部３１、弁装置Ｖ５、空気熱交換部６１、弁装置Ｖ１、第３ポンプ６２、温調用熱交換部４２，４３、弁装置Ｖ２を経由して第２ポンプ３２に戻る回路になっている。ここでは、低温側熱媒体回路３０を流れる熱媒体は、温調熱交換部４２，４３を通過することで、インバータＭ２やモータＭ３の排熱で加温されることになる。

バッテリーＭ１の温調用熱交換部４１には、熱媒体混合部５１から高温に温度調整された熱媒体が供給され、個別空調ユニットＭ６の温調用熱交換部４７には、低温熱媒体が混合されていない高温熱媒体が、熱媒体混合部５４を介して送られる。

図７に示した回路状態は、参考例であり、高熱側熱媒体回路２０に電気ヒーター２を加えた、暖房とバッテリー暖機の動作モードである。この例は、冷媒回路１０の作動を止めて、電気ヒーター２の加温のみで高温側熱媒体回路２０を構成しており、高温の熱媒体を、温調用熱交換部４１，４７，４５に送っている。

以上説明したように、本発明の実施形態によると、ヒートポンプの放熱と吸熱を効果的に利用した熱マネジメントシステムを構築することができ、ネルギーの利用効率が高く、消費電力を低減することができ、所望の温度域で熱管理対象の温調を行うことができる。

また、主空調ユニットＭ４などの熱交換器を流れる熱媒体の温度を高温水と低温水を混合することで調整することができ、エアミックダンパーを用いることなく適温にすることができるので、主空調ユニットＭ４などの部品点数を削減することができ、更にはユニットのコンパクト化を実現することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：熱マネジメントシステム，２：電気ヒーター，
１０：冷媒回路，
１１：圧縮機，１２：凝縮器，１３：膨張弁，１４：蒸発器，
２０：高温側熱媒体回路，２１：高温側熱交換部，２２：第１ポンプ，
３０：低温側熱媒体回路，３１：低温側熱交換部，３２：第２ポンプ，
４０～４７：温調用熱交換部，５０～５５：熱媒体混合部，
Ｖ１～Ｖ１２：弁装置，
６０：空冷熱媒体回路，６１：空気熱交換部，６２：第３ポンプ，
Ｄ：分岐部，Ｃ１：第１接続部，Ｃ２：第２接続部，
Ｍ：熱管理対象，Ｍ１：バッテリー，Ｍ２：インバータ，Ｍ３：モータ，
Ｍ４：主空調ユニット，Ｍ５，Ｍ６：個別空調ユニット

Claims

冷媒が循環する冷媒回路と、
第１ポンプによって圧送された熱媒体が、前記冷媒の放熱により高温になって循環する高温側熱媒体回路と、第２ポンプによって圧送された熱媒体が、前記冷媒の吸熱により低温になって循環する低温側熱媒体回路を有する熱マネジメントシステムにおいて、
熱管理対象の温調を行う温調用熱交換部と、
前記温調用熱交換部の上流側に接続され、前記高温側熱媒体回路の高温熱媒体と前記低温側熱媒体回路の低温熱媒体を熱管理対象の目標温度に応じた比率で混合する熱媒体混合部と、
前記温調用熱交換部の下流側に接続され、前記温調用熱交換部を経由した熱媒体を前記高温側熱媒体回路と前記低温側熱媒体回路に戻す分岐部と、
を備え、
前記分岐部で分流された熱媒体の一方は、前記第１ポンプの上流側で第１接続部から前記高温側熱媒体回路に戻り、
前記分岐部で分流された熱媒体の他方は、前記第２ポンプの上流側で第２接続部から前記低温側熱媒体回路に戻り、
前記分岐部と前記第１接続部との間の流路及び前記分岐部と前記第２接続部との間の流路にそれぞれ逆止弁を設けた、
ことを特徴とする熱マネジメントシステム。
前記熱媒体混合部は、複数の熱管理対象毎に設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱マネジメントシステム。