車輛熱管理系統及其方法
2023-06-07 09:10:21
車輛熱管理系統及其方法
【專利摘要】提供一種用於車輛的熱管理系統，其具有例如可充電能量存儲系統（RESS）的第一加熱力裝置、和例如內燃發動機（ICE）的第二加熱力裝置。系統可以允許ICE中的廢熱存儲在RESS中，且可以通過將熱量儲存在ICE中而冷卻RESS。RESS和ICE分別位於第一冷卻劑迴路和第二冷卻劑迴路中。系統還包括第三冷卻劑迴路，其與第一冷卻劑迴路互連，且經由第一換熱器與第二冷卻劑迴路熱連通。第一和第三冷卻劑迴路配置為讓第一冷卻劑循環且第二冷卻劑迴路配置為讓第二冷卻劑循環。RESS和ICE每一個配置為選擇性地運行為熱源或散熱件。
【專利說明】車輛熱管理系統及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於車輛的熱管理系統，所述車輛例如混合動力電動車(HEV)或插電式混合動力電動車(PHEV)，並涉及運行其熱管理系統的方法。
【背景技術】
[0002]電動車，例如混合動力電動車(HEV)，插電式混合動力電動車(PHEV)，等，通常包括電動機，其可以在電動車(EV)中或電量耗盡驅動模式下單獨推進車輛。車輛也可以包括內燃發動機(ICE)，用作車輛的主要推進系統或形成增程推進系統，或在混合動力或電量維繫模式下與電動機結合運行。
[0003]電動機通常從電功率源接收電力，所述電功率源例如可充電能量存儲系統(RESS)0 RESS可以包括電池組或其他可充電能量存儲器件，其能存儲大量能量。RESS中存儲的能量被消耗，且由此RESS需要被充電。在車輛採用這樣的系統的情況中，這可以在車輛處於主動驅動狀態時通過再生制動進行。替換地，充電可以在車輛處於停用充電狀態時實現，其中車輛可以被插入電源，例如電力網絡。在較寒冷環境溫度下，由於各種因素，電量消耗更快。從而在較寒冷環境溫度下，車輛在EV驅動模式或EV行程下可以行進的距離減小。
[0004]RESS需要熱系統來冷卻和加溫電池組，以使得電池組的電量和壽命最大化。熱系統通常包括行進通過RESS的冷卻劑管線。目前，RESS可以使用冷卻劑管線上的高電壓加熱器加熱。通過讓冷卻劑管線行進經過環境-液體散熱器，RESS可以被環境空氣冷卻。RESS也可以通過藉助與車廂蒸發器並行的冷卻器而與空氣調節(A/C)製冷迴路交換冷卻劑管線中的熱量而被冷卻。
【發明內容】
[0005]提供一種用於車輛的熱管理系統，其具有第一熱力裝置和第二熱力裝置。第一熱力裝置可以是可充電能量存儲系統(RESS)，其具有至少一個電池組，且第二熱力裝置可以是內燃發動機(ICE)，二者可以存在於車輛中，車輛包括但不限於混合動力電動車(HEV)、插電式混合動力電動車(PHEV)等。第一熱力裝置位於第一冷卻劑迴路，且第二熱力裝置位於第二冷卻劑迴路。
[0006]熱管理系統還包括第三冷卻劑迴路，其與第一冷卻劑迴路互連，且經由第一換熱器與第二冷卻劑迴路熱連通。第一冷卻劑迴路和第三冷卻劑迴路配置為讓第一冷卻劑循環且第二冷卻劑迴路配置為讓第二冷卻劑循環。第一換熱器允許熱量經由第一冷卻劑和第二冷卻劑之間的熱傳遞而在第一熱力裝置和第二熱力裝置之間傳遞。
[0007]第一熱力裝置和第二熱力裝置每一個配置為選擇性地運行為熱源或散熱件。在第一熱力裝置運行為熱源時，例如在車輛充電或處於電動車(EV)驅動模式下時，第二熱力裝置運行為散熱件。從而通過第一熱力裝置產生的熱量可以經由從第一冷卻劑到第一換熱器中的第二冷卻劑的熱傳遞而從第一熱力裝置傳遞到第二熱力裝置。[0008]相反地，在第二熱力裝置運行為熱源時，例如在車輛從主動驅動狀態關閉時，第一熱力裝置運行為散熱件。從而第二熱力裝置中的熱量可以經由從第二冷卻劑到第一換熱器中的第一冷卻劑的熱傳遞而傳遞到第一熱力裝置。
[0009]熱管理系統可以進一步包括第二換熱器和/或位於第一冷卻劑迴路中的加熱器。第二換熱器和加熱器可以配置為分別冷卻和加熱第一熱力裝置。熱管理系統也可以包括掃熱閥，其配置為選擇性地將第一冷卻劑的至少一部分引導通過第一冷卻劑迴路和第三冷卻劑迴路中的至少一個。
[0010]熱管理系統可以進一步包括製冷迴路。製冷迴路可以經由第二換熱器而與第一冷卻劑迴路熱連通。製冷迴路可以進一步經由第三換熱器與第二冷卻劑迴路熱連通。
[0011]還提供一種利用車輛的第二熱力裝置中的廢熱的方法，所述車輛還具有第一加熱力裝置。進一步了一種提供冷卻已經在車輛中產生熱量的第一熱力裝置的方法。兩方法都利用如上所述的熱管理系統。
[0012]方法包括讓第一冷卻劑循環通過第一冷卻劑迴路或第三冷卻劑迴路中的至少一個，其中第一熱力裝置位於第一冷卻劑迴路中，且第三冷卻劑迴路與第一冷卻劑迴路互連。方法進一步包括讓第二冷卻劑循環通過第二冷卻劑迴路，其中第二熱力裝置位於第二冷卻劑迴路中，且第二冷卻劑迴路經由第一換熱器與第三冷卻劑迴路熱連通
[0013]在利用第二熱力裝置中廢熱的方法中，第二熱力裝置具有比熱存儲裝置更高的初始溫度。從而廢熱可以經由從第二冷卻劑到第一換熱器中的第一冷卻劑的熱傳遞而傳遞到第一熱力裝置。
[0014]在冷卻第一熱力裝置的方法中，第一熱力裝置具有更高的初始溫度。從而存儲在第一熱力裝置中的熱量可以經由從第一冷卻劑到第一換熱器中的第二冷卻劑的熱傳遞而傳遞到第二熱力裝置。
[0015]在下文結合附圖進行的對實施本發明的較佳模式做出的詳盡描述中能容易地理解上述的本發明的特徵和優點以及其他的特徵和優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1A是熱管理系統的示意圖，其具有第一熱力裝置和第二熱力裝置，其運行在第一熱力裝置運行為散熱件且第二熱力裝置運行為熱源的第一模式中；
[0017]圖1B是圖1A的熱管理系統的示意圖，其運行在第一熱力裝置運行為熱源且第二熱力裝置運行為散熱件的第二模式中；
[0018]圖2A是圖1A的運行在第一模式中的熱管理系統的示意圖，其包括熱泵系統；
[0019]圖2B是運行在第二模式中的圖2A的熱管理系統的示意圖；和
[0020]圖3和4是運行圖1A-2B的熱管理系統的示例性方法的示意性流程圖。
【具體實施方式】
[0021]以下描述和附圖針對示例性實施例，且實際上僅是說明性的而不是對本發明、其應用或使用的限制。附圖中，一些部件被示以標準或基本的符號。這些符號僅是表示性和說明性的，且決不是要限制任何具體所示的構造、限制所示不同構造之間的組合或限制權利要求。對組成部件的所有描述都是開放性的且部件的任何例子是非窮盡的。[0022]參見附圖，其中相同的附圖標記在幾幅圖中對應於相同的或相似的部件，在具有電動車(EV)驅動模式的車輛101中使用的熱管理系統100在圖1A和IB中所示，在所述電動車驅動模式下車輛101僅依靠電力運行。車輛101可以包括但不限於混合動力電動車(HEV)、插電式混合動力電動車(PHEV)等，在圖1A和IB中示出。圖1A顯示了在第一運行模式下運行的熱管理系統100。圖1B顯示了在第二運行模式下運行的熱管理系統100。第一和第二運行模式在下文詳細描述。
[0023]參見圖1A和1B，熱管理系統100通常包括第一冷卻劑迴路102和第二冷卻劑迴路104，所述第一冷卻劑迴路具有配置為讓第一冷卻劑循環的第一冷卻劑泵103，且所述第二冷卻劑迴路具有配置為讓第二冷卻劑循環的第二冷卻劑泵105。熱管理系統100還包括也配置為讓第一冷卻劑循環的第三冷卻劑迴路112。第三冷卻劑迴路112互連到第一冷卻齊IJ迴路102，且還經由第一換熱器106與第二冷卻劑迴路104熱連通。第一換熱器106配置為在第一冷卻劑和第二冷卻劑之間傳遞熱量，熱傳遞的方向取決於熱管理系統100在哪個運行模式中運行。
[0024]熱管理系統100進一步包括位於第一冷卻劑迴路102中的第一熱力裝置108、和位於第二冷卻劑迴路104中的第二熱力裝置110。通常，第一熱力裝置108和第二熱力裝置110是任何介質、裝置、機器等，其能產生熱能和存儲熱能。例如，第一熱力裝置108可以是但不限於是可再充電能量存儲系統(RESS)，其包括至少一個電池組。第二熱力裝置110可以是但不限於內燃發動機(ICE)。RESS和ICE通常可以在具有EV驅動模式(例如HEV或PHEV)的車輛中存在。僅出於描述的目的，第一熱力裝置108和第二熱力裝置110在下文分別稱為RESS和ICE。
[0025]RESS108和ICEllO每一個可以選擇性地運行為熱源或散熱件。通常，在熱管理系統100的任何運行模式下，RESS108和ICEllO中僅一個可運行為熱源，而另一個運行為散熱件。
[0026]例如，在圖1A所示的第一運行模式中，RESS108運行為散熱件，且ICEllO運行為熱源。這例如可以在車輛101從主動驅動狀態關閉且將保持關閉較長時間時發生。通常，在車輛101和ICEllO停用達一段時間時，因已經運行而在ICEllO中形成的內部熱量消散到環境空氣中。不是使其浪費，而是，熱管理系統100通過將廢熱傳遞到RESS108以進行存儲而利用從ICEllO而來的廢熱。廢熱被第二冷卻劑吸收，第二冷卻劑轉而經由第一換熱器106將廢熱傳遞到第一冷卻劑。廢熱(目前在第三迴路112中)可以在第一冷卻劑流過RESS108時被傳遞且存儲在其中。
[0027]相反地，在第二運行模式下，如圖1B所示，RESS108被運行為熱源，且ICEllO運行為散熱件。這可以例如在RESS108需要被冷卻時(例如在車輛101插入用於充電的功率源時)或車輛101在EV驅動模式下且ICEllO已經不再運行從而其處於較冷溫度時發生。以與在第一操作模式中進行熱傳遞相似的方式，從RESS108而來的熱量被第一冷卻劑吸收，其又經由第一換熱器106將熱量傳遞到第二冷卻劑。隨後在第二冷卻劑流過ICEllO時第二冷卻劑可將熱量存於ICEl 10。
[0028]熱管理系統100進一步可以包括位於第一冷卻劑迴路102中的第二換熱器114和/或加熱器116。在ICEllO不能吸收足夠的熱量以充分冷卻RESS108時，第二換熱器114可以用於冷卻RESS108。第二換熱器114可以是製冷劑-液體換熱器，以將從RESS108而來的熱量經由第一冷卻劑傳遞到製冷劑，如圖2A和2B所示和在下文詳細描述的。類似地，在ICEllO尚未產生足夠量的廢熱以存儲在RESS108中的情況下，加熱器116可以用於加熱RESS108。加熱器116可以是電阻加熱器。
[0029]熱管理系統100可以進一步包括掃熱閥(heat scavenge valve) 118,其配置為選擇性地引導第一冷卻劑流動通過第三冷卻劑迴路112達到第一換熱器106，和/或通過第一冷卻劑迴路102達到第二換熱器114。儘管掃熱閥118在圖中被顯示為是雙位三通閥，但是應理解其可以是任何三通閥，其配置為選擇性地將第一冷卻劑流引導到第一換熱器106和/或第二換熱器114。在未示出的替換實施例，代替三通閥，熱管理系統100可以包括兩個分開的流量控制閥，在第一冷卻劑迴路和第三冷卻劑迴路上各一個。在未示出的另一實施例中，掃熱閥118可以是四通閥，其配置為旁路第二換熱器114。
[0030]熱管理系統100還可以包括至少一個控制器120，其配置為控制熱管理系統100的運行。具體說，控制器120可以控制掃熱閥118的運行，以選擇性地引導第一冷卻劑流動到第一換熱器106或到第二換熱器114。熱系統100的運行可以取決於一定的條件，包括但不限於戶外空氣溫度、溼度、白天的時間、車輛101保持在停用充電狀態(inactive chargingstate)下的時間長度等。控制器120可以配置為處理這些條件，以確定熱管理系統100是否應該運行在第一運行模式或第二運行模式，或是否運行。
[0031]熱管理系統100可以與熱泵系統200整合，如圖2A和2B所示。這可以允許存儲在RESS108中的熱量傳遞到車輛101的乘客車廂122。圖2A示出了第一運行模式下的熱管理系統100，如上所述，且圖2B示出了第二運行模式下的熱管理系統100，也如上所述。
[0032]現在參見圖2A和2B，熱泵系統200可以包括配置為讓製冷劑循環的製冷劑迴路202。製冷迴路202經由第二換熱器114與第一冷卻劑迴路102熱連通。如上所述，第二換熱器114可以是製冷劑-液體換熱器，例如RESS冷卻器，其可以用作熱泵蒸發器，以將熱量從第一冷卻劑消散到製冷劑。製冷劑迴路202進一步經由第三換熱器124與第二冷卻劑迴路104熱連通。第三換熱器類似地可以是液體-液體換熱器，其可以用作用於熱泵系統200的熱泵冷凝器。
[0033]製冷劑迴路202可以包括壓縮機204，其位於第二換熱器114的下遊和第三換熱器124的上遊。壓縮機110配置為壓縮製冷劑。
[0034]製冷劑迴路202可以進一步包括第一熱膨脹裝置206、第二熱膨脹裝置208、第四換熱器210、第五換熱器212和流量控制閥214、216、218和220。第一熱膨脹裝置206和第二熱膨脹裝置208位於第三換熱器124的下遊，且配置為冷卻和膨脹製冷劑，且將製冷劑分別分配到第二換熱器114和第四換熱器210。第一熱膨脹裝置206和第二熱膨脹裝置208可以是溫度調節或熱膨脹閥，且可以被電子地或機械地促動。
[0035]第四換熱器210可以用作車廂蒸發器。其可以配置為將熱量從流動通過它的製冷劑交換到流動經過它且進入乘客車廂122的空氣，以對乘客車廂122冷卻和除溼。第五換熱器212可以是製冷劑-空氣冷凝器。第五換熱器212可以配置為從壓縮機204接收加壓的製冷劑氣體且讓加壓的製冷劑氣體在流過第五換熱器212時冷凝到液體狀態。第五換熱器212進一步可以配置為將製冷劑排出到第一熱膨脹裝置206和第二熱膨脹裝置208中的至少一個。
[0036]流量控制閥214、216、218和220可以配置為控制到製冷迴路202中各種部件的流量。應理解流量控制閥214、216、218和220可以是能限制製冷劑在具體管線中流動的任何閥。流量控制閥214、216、218和220可以是但不限於雙位打開/關閉閥，或替換地是調節閥。
[0037]第二冷卻劑迴路104可以包括旁通閥126和旁通管線128。旁通閥126配置為選擇性地在車輛101在混合動力模式下時引導第二冷卻劑到ICEllO以冷卻它，或在車輛101在EV驅動模式下時引導到旁通線128。類似於掃熱閥118，旁通閥126可以是雙位三通閥。應理解旁通閥126可以是任何三通閥，其配置為選擇性地引導流動到ICEllO和/或到旁通管線128。在未示出的替換實施例中，代替三通閥，熱管理系統100可以包括兩個分開的流量控制閥，在旁通管線128和用於旁通管線128輸出的下遊的第二冷卻劑迴路104上各一個。
[0038]第二冷卻劑迴路104可以進一步包括冷卻劑加熱器芯130。冷卻劑加熱器芯130可以配置為接收第二冷卻劑以加熱被第四換熱器210除溼的空氣，由此有效地將RESS108中存儲的熱量傳遞到乘客車廂122。
[0039]現在參見圖3和4，顯示了在第一運行模式或第二運行模式下運行熱管理系統100的方法300。
[0040]方法300以步驟302開始，其中第一冷卻劑流過第一冷卻劑迴路102。在熱管理系統100包括第三冷卻劑迴路112和掃熱閥118的實施例中，步驟302可以首先包含子步驟302a，如圖4所示。在子步驟302a，第一冷卻劑的至少一部分流動被經由掃熱閥118引導到第一冷卻劑迴路102。第一冷卻劑隨後可以在步驟302b流過第一冷卻劑迴路102。
[0041]在步驟302之後，方法300前進到步驟304。在步驟304，第二冷卻劑流過第二冷卻劑迴路104。熱量隨後可以經由第一換熱器106在第一冷卻劑和第二冷卻劑之間傳遞。
[0042]如上所述，在第一運行模式下，由於ICEl 10產生的廢熱，ICEllO具有比RESS108更高的初始溫度。從而方法300通過讓廢熱存儲在RESS108中而允許廢熱被利用。相反地，在第二運行模式中，RESS108具有比ICEllO更高的初始溫度。從而方法300通過將熱量傳遞到ICEllO允許RESS108被冷卻。
[0043]附圖中的詳細的描述和顯示是對本發明的支持和描述，而本發明的範圍僅通過權利要求限定。儘管已經對執行本發明的較佳模式進行了詳盡的描述但是本領域技術人員可得知在所附的權利要求的範圍內的用來實施本發明的許多替換設計和實施例。
【權利要求】
1.一種用於車輛的熱管理系統，系統包括: 第一冷卻劑迴路，配置為讓第一冷卻劑循環； 第二冷卻劑迴路，配置為讓第二冷卻劑循環； 第三冷卻劑迴路，與第一冷卻劑迴路互連，第三冷卻劑迴路配置為讓第一冷卻劑循環，且經由第一換熱器與第二冷卻劑迴路熱連通； 第一熱力裝置，位於第一冷卻劑迴路中；和 第二熱力裝置，位於第二冷卻劑迴路中； 其中第一熱力裝置和第二熱力裝置每一個配置為選擇性地運行為熱源或散熱件。
2.如權利要求1所述的系統，其中第一熱力裝置為具有至少一個電池組的可再充電能量存儲系統(RESS)。
3.如權利要求1所述的系統，其中第二熱力裝置是內燃發動機(ICE)。
4.如權利要求1所述的系統，其中第一熱力裝置運行為散熱件，且第二熱力裝置運行為熱源，其中從第二熱力裝置產生的熱量能經由從第二冷卻劑到第一換熱器中的第一冷卻劑的熱傳遞而傳遞到第一熱力裝置。
5.如權利要求1所述的系統，其中第一熱力裝置運行為熱源，且第二熱力裝置運行為散熱件，其中存儲在第一熱力裝置中的熱量經由從第一冷卻劑到第一換熱器中的第二冷卻劑的熱傳遞而能傳遞到第二熱力裝置。
6.如權利要求1所述的系統，進一步包括掃熱閥，其配置為選擇性地將第一冷卻劑的至少一部分引導通過第一冷卻劑迴路和第三冷卻劑迴路中的至少一個。
7.如權利要求1所述的系統，進一步包括加熱器，位於第一冷卻劑迴路中，加熱器被配置為加熱第一熱力裝置。
8.如權利要求1所述的系統，進一步包括第二換熱器，其位於第一冷卻劑迴路中，第二換熱器配置為冷卻第一熱力裝置。
9.如權利要求8所述的系統，進一步包括製冷迴路，其配置為讓製冷劑循環，製冷迴路經由第二換熱器與第一冷卻劑迴路熱連通且經由第三換熱器與第二冷卻劑迴路熱連通。
10.一種利用車輛的第二熱力裝置中廢熱的方法，所述車輛具有第一加熱力裝置，方法包括: 讓第一冷卻劑循環通過第一冷卻劑迴路和第三冷卻劑迴路中的至少一個，第一熱力裝置位於第一冷卻劑迴路中，且第三冷卻劑迴路與第一冷卻劑迴路互連；和 讓第二冷卻劑循環通過第二冷卻劑迴路，第二熱力裝置位於第二冷卻劑迴路中，且第二冷卻劑迴路經由第一換熱器而與第三冷卻劑迴路熱連通； 其中第二熱力裝置具有比第一熱力裝置更高的初始溫度，使得第二熱力裝置中的廢熱經由從第二冷卻劑到第一換熱器中的第一冷卻劑的熱傳遞而被傳遞到第一熱力裝置。
【文檔編號】B60K11/00GK103963629SQ201410041903
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月28日 優先權日:2013年2月4日
【發明者】P.S.隆巴多, L.P.齊爾, B.M.斯泰爾斯, M.D.內梅施 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司