插電式混合動力電動車輛的熱量利用系統的製作方法

2023-05-18 12:45:11

專利名稱：插電式混合動力電動車輛的熱量利用系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用插電式混合動力電動車輛中第一組件產生的熱量提高插電式混合動力電動車輛中第二組件的溫度的系統。
背景技術：
插電式混合動力電動車輛被配置為主要使用存儲在車輛的可充電電池中的能量 運行預定距離或預定時間周期。插電式混合動力電動車輛包括內燃發動機、電動馬達和可 充電電池。插電式混合動力電動車輛通常被配置為兩種不同配置中的一種。在第一種配置 中，內燃發動機和電動馬達均被配置為用於向車輛驅動輪傳輸扭矩。這被稱為混合或平行 配置。在稱為串聯配置的第二種配置中，僅電動馬達向車輛驅動輪傳輸扭矩。在串聯配置 中，內燃發動機僅用於對可充電電池充電或將能量傳輸至電動馬達。這兩種類型的插電式混合動力電動車輛均在起初的時間段主要使用存儲在可充 電電池內的能量運行電動馬達並向車輛驅動輪傳輸扭矩來運轉。在這種電池驅動運轉期 間，電動馬達可能缺乏足夠的動力以滿足駕駛員需求。例如，當在高速路的上坡加速時，駕 駛員可能需要比從僅由電池驅動的電動馬達供應的動力更多的來自車輛推動系統的動力。 在這些高動力需求的短暫期間，內燃發動機可能暫時啟動以向驅動輪提供額外的扭矩或向 電動馬達提供額外的動力以滿足對額外動力的需求。一旦對增加的動力的需要減少，內燃 發動機可關閉並維持關閉直至下一次需求增加動力或直至可充電電池消耗至需要內燃發 動機繼續運轉的程度。在僅電池驅動的車輛運轉期間，由於內燃發動機僅運轉短暫、間歇的時間段，內 燃發動機較好地維持在其最佳運轉溫度以下，該最佳運轉溫度取決於發動機可在180F和 220F之間變化或甚至更高。當內燃發動機運轉在低於其最佳或所需運轉溫度之下的溫度 時，內燃發動機效率較低並消耗更多燃料。因此，內燃發動機低於其最佳運轉溫度的運轉會 對插電式混合動力電動車輛的燃料經濟性產生不良影響。本發明的實施例解決了這個及其 它問題。

發明內容
本說明書中公開了一種利用插電式混合動力電動車輛的組件產生的熱量的系統 的多個實施例。在第一實施例中，系統包含第一組件，其具有穿過其延伸的第一冷卻劑循環 系統。第一冷卻劑循環系統包括第一散熱器。系統進一步包含第二組件，其具有穿過其延 伸的第二冷卻劑循環系統。第二冷卻劑循環系統與第一冷卻劑循環系統流體連通。在本第 一實施例中，第一冷卻劑循環系統被配置為選擇性地將加熱的冷卻劑從第一組件引導至第 二組件。在第一實施例的實施方案中，第一冷卻劑循環系統進一步被配置為選擇性地防止 加熱的冷卻劑在第一組件和第一散熱器之間流動。在該實施方案的變型中，第一冷卻劑循環系統進一步包含被配置為用於選擇性地將加熱的冷卻劑流從第一組件引導至第二組件 和第一散熱器之中的一個的第一閥門。在另一變型中，第一冷卻劑循環系統進一步被配置 為當第二組件達到預定溫度時允許加熱的冷卻劑從第一組件流向第一散熱器並防止加熱 的冷卻劑流向第二組件。在第二實施例中，系統包含具有穿過其延伸的第一冷卻劑循環系統的電組件。第 一冷卻劑循環系統包括第一散熱器。該系統進一步包含具有穿過其延伸的第二冷卻劑循環 系統的內燃發動機(ICE)。第二冷卻劑循環系統與第一冷卻劑循環系統流體連通。在該第 二實施例中，第一冷卻劑循環系統被配置為選擇性地將加熱的冷卻劑從電組件引導至ICE。在第二實施例的實施方案中，電組件包含ISC。在第二實施例的另一實施方案中，第一冷卻劑循環系統進一步被配置為選擇性地 防止加熱的冷卻劑在電組件和第一散熱器之間流動。在該實施方案的變形中，第一冷卻劑 循環系統進一步包含被配置為用於選擇性地將加熱的冷卻劑流從電組件引導至ICE和第 一散熱器中的一個的第一閥門。在進一步變型中，第二冷卻劑循環系統進一步包含第二散 熱器和被配置為用於選擇性地將加熱的冷卻劑流從內燃發動機引導至電組件和第二散熱 器中的一個的第二閥門。在該實施方案的進一步變形中，第二閥門進一步被配置為用於當第一閥門將加熱的冷卻劑從電組件引導至ICE時將冷卻劑流從內燃發動機引導至電組件。在進一步變型 中，第二閥門進一步被配置為用於當第一閥門將加熱的冷卻劑從電組件引導至第一散熱器 時將冷卻劑流從內燃發動機引導至第二散熱器。在另一變型中，第一閥門進一步被配置為 用於當ICE未運轉時將加熱的冷卻劑從電組件引導至ICE。第一閥門進一步被配置為用於 當ICE運轉時將加熱的冷卻劑從電組件引導至ICE。在第三實施例中，系統包含具有穿過其延伸的第一冷卻劑循環系統的電組件。第一 冷卻劑循環系統包括第一散熱器。系統進一步包含具有延伸於其中的第二冷卻劑循環系統的 加熱器核心。第二冷卻劑循環系統與第一冷卻劑循環系統流體連通。在此第三實施例中，第 一冷卻劑循環系統被配置為選擇性地將加熱的冷卻劑從第一組件引導至加熱器核心。在第三實施例的實施方案中，電組件包含ISC。在第三實施例的另一實施方案中，第一冷卻劑循環系統進一步被配置為選擇性地 防止加熱的冷卻劑在電組件和第一散熱器之間流動。在第三實施例的另一實施方案中，系統進一步包含具有穿過其延伸的第二冷卻劑 循環系統的內燃發動機。第二冷卻劑循環系統進一步包含第二散熱器。在該實施方案的 變形中，第一冷卻劑循環系統進一步包含被配置為用於選擇性地將加熱的冷卻劑流從電組 件引導至第二冷卻劑循環系統和第一散熱器中的一個的第一閥門。在該實施方案的進一步 變形中，第二冷卻劑循環系統進一步包含被配置為用於選擇性地將冷卻劑流從內燃發動機 引導至第二散熱器和電組件中的一個的第二閥門。在再一變型中，加熱器核心位於內燃發 動機下遊，這樣當第二閥門將冷卻劑流從內燃發動機引導至電組件時冷卻劑穿過加熱器核 心。在又一變型中，電組件包含ISc。


本說明書的描述參考了下列附圖，其中在多個附圖中相同的附圖標記代表了相同部件。圖1A為示出了在插電式混合動力電動車輛中用於利用逆變器系統控制器(ISC) 產生的熱量加熱內燃發動機(ICE)汽缸體的系統的示意圖。圖1B為示出了圖1A的系統的示意圖，其中加熱的冷卻劑從ISC流向ICE並隨後 流回ISC。
圖2A為示出了圖1A系統的替代實施例的示意圖，其中來自ISC的加熱的冷卻劑 用於加熱加熱器核心。圖2B為示出了圖2A的系統的示意圖，其中加熱的冷卻劑從ISC流向加熱器核心 並隨後流回ISC。圖3A為示出了圖1A、B的系統的另一實施例的示意圖，其中來自ISC的加熱的冷 卻劑加熱ICE和加熱器核心。圖3B為示出了圖3A的系統的示意圖，其中加熱的冷卻劑從ISC穿過ICE和加熱 器核心並隨後流回ISC。
具體實施例方式本說明書公開了本發明的詳細實施例，然而，應理解所公開的實施例僅為本發明 的示例，其可以多種可替代形式實施。附圖無需按比例繪製，可以放大或最小化一些特徵以 顯示特定組件的細節。因此，本說明書中公開的具體結構和功能細節不應解釋為限定，而僅 解釋為權利要求的代表性基礎和/或教導本領域技術人員以多種方式實施本發明的代表 性基礎。插電式混合動力電動車輛包括一個或多個電動馬達和一個或多個內燃發動機。可 充電電池向電動馬達供應電能。逆變器系統控制器(ISC)將來自可充電電池的直流電轉換 為交流電供電動馬達使用。在運轉期間，ISC的溫度上升。如果不冷卻，ISC將升溫至超過 其最佳運轉溫度的溫度並甚至可能過熱。同樣，內燃發動機(ICE)的溫度也將在正常運轉 期間上升，並且如果沒有正確冷卻的話將超過ICE的最佳運轉溫度。為了保持ISC冷卻， ISC具有延伸穿過ISC的第一冷卻劑循環系統。溫度低於ISC的冷卻劑進入ISC，穿過ISC 循環使得流體溫度上升而ISC降溫。隨後將加熱的流體引導至第一散熱器，在該處冷卻加 熱的流體並再循環至ISC。同樣，第二冷卻劑循環系統用於冷卻ICE。溫度低於ICE的冷卻劑進入ICE，穿過 其循環使得流體溫度上升而ICE降溫。隨後將加熱的流體引導至第二散熱器，在該處冷卻 加熱的流體並再循環回ICE。插電式混合動力電動車輛被配置為對於預定距離或時間周期僅使用電池動力運 轉。在僅電池運轉期間，不運轉內燃發動機而電動馬達推動車輛。在這種運轉期間，可充電 電池向電動馬達供應動力用於運轉。當駕駛員對動力的需求或其它車輛動力需求超過可充 電電池單獨的動力能力時，ICE將暫時啟動並運轉以輔助電動馬達推動車輛。在這種暫時、 間歇的運轉期間，ICE沒有足夠的時間暖機至其最佳運轉溫度(大約200F)。因此，在這種 間歇運轉期間，ICE低於其峰值效率運轉，其會導致燃料消耗速度提高。根據本發明的教導，第一冷卻劑循環系統被配置為用於將加熱的冷卻劑從ISC引 導至第二冷卻劑循環系統，在該處使加熱的冷卻劑穿過ICE。加熱的冷卻劑的溫度高於ICE,而隨著加熱的冷卻劑穿過ICE，ICE作用為散熱器從流體吸取熱量。這使得ICE溫度上 升。第二冷卻劑循環系統被配置為用於將離開ICE的冷卻的冷卻劑引導回第一冷卻劑循環 系統，在該處弓I導冷卻劑穿過ISC而再次開始循環。這樣，將熱量從ISC傳遞至ICE，其允許 ICE維持在環境溫度之上的被升高的溫度，使得在暫時、間歇運轉期間ICE可以較高的效率 水平運轉。本發明的教導並未限定於使用來自ISC加熱的冷卻劑來加熱ICE。應當理解為，也 可利用其它的熱源和加熱目標。例如，在另一實施例中，可能需要引導加熱的冷卻劑從ISC 穿過用於向車輛的加熱及通風系統供應熱量的車輛加熱器核心。這樣，在插電式混合動力 電動車輛的僅電動運轉期間，通常依賴於來自ICE的加熱的冷卻劑的加熱器核心可使用來 自ISC的加熱的冷卻劑向車輛的供暖、通風及空調(HVAC)系統供應熱量。在其它實施例中， 可引導來自ISC的加熱的冷卻劑穿過ICE和加熱器核心。在再一實施例中，電動馬達中的 一個或多個可代替ISC供應加熱的冷卻劑。通過閱讀附圖以及具體實施方式
，可獲得對本 發明實施例的更深理解。參考圖1A，示意性顯示了用於利用插電式混合動力電動車輛的組件產生的熱量的 系統10。可在任何插電式混合動力電動車輛(包括那些配置用於以混聯方式和串聯方式運 轉的插電式混合動力電動車輛)中採用系統10。系統10包括在運轉期間產生熱量的第一 組件12。在圖IA中，第一組件12描述為ISC。然而應理解，任何發熱組件都可用作系統10 的第一組件12。第一冷卻劑循環系統14使冷卻劑循環穿過第一組件12。第一冷卻劑循環 系統14包括第一散熱器16、管道18和20、管道22和24、ISC 12以及ISC 12內部的冷卻 劑通道(未顯示)。第一冷卻劑循環系統14還包括被配置為用於將從管道24排出的加熱 後的冷卻劑朝向兩個不同路徑中的一個引導的第一閥門26。如圖IA中所說明的，第一閥門 26被設置為將加熱的冷卻劑從管道24引導至管道18。系統10進一步包括第二組件28。在圖IA所說明的實施例中，第二組件28為ICE。 應理解，第二組件28可為利用系統10的插電式混合動力電動車輛的任何可能需要加熱的 其它組件。第二冷卻劑循環系統30被配置為用於在第二組件28運轉期間冷卻第二組件28。 第二冷卻劑循環系統30包含被配置為用於在加熱的冷卻劑穿過時冷卻加熱的冷卻劑的第 二散熱器32。第二冷卻劑循環系統30還包括管道34、36。第二冷卻劑循環系統30還包括 管道38、40。第二冷卻劑循環系統30還包括穿過第二組件28的冷卻劑的通路(未顯示)， 所述通路被配置為為了冷卻組件28而運載冷卻劑貫穿第二組件28。在圖IA所說明的實施例中，第二冷卻劑循環系統30進一步包含被配置為用於從 管道40朝向兩個不同路徑中的一個引導加熱的冷卻劑的第二閥門42。在圖IA所說明的實 施例中，第二閥門42設置為將加熱的冷卻劑引導至朝向第二散熱器32的管道34。第一冷卻劑循環系統14和第二冷卻劑循環系統30通過連接管道44和連接管道 46彼此流體連通。連接管道44連接至第一閥門26，而連接管道46連接至第二閥門42。當 第一閥門26從圖IA中所示的位置移動至連接位置時，第一閥門26將使管道24和連接管 道44相連並從而允許加熱的冷卻劑從第一組件12沿著連接管道44流入管道38並從那兒 流向第二組件28。當第二閥門42從圖IA中所示的位置移動至使管道40和連接管道46相 連接的連接位置時，離開第二組件28的冷卻的冷卻劑可沿連接管道46引導至管道22，並繼續引導至第一組件12，在第一組件處加熱冷卻劑。參考圖1B，示出了圖1A的系統10，其中第一閥門26和第二閥門42移動至連接位 置。由於第一閥門26和第二閥門42處於連接位置，形成第三冷卻劑循環系統48。在第三 冷卻劑循環系統48中，冷卻劑進入第一組件12，在該處其被加熱並隨後沿管道24離開，穿 過第一閥門26，在第一閥門26處沿連接管道44將加熱的冷卻劑引導入管道38並隨後引 導入第二組件28。隨著冷卻劑將熱量傳輸給第二組件28，冷卻劑降溫。這樣，第二組件28 作用為散熱器以冷卻穿過第一組件12的冷卻劑。在穿過第二組件28之後，冷卻的冷卻劑 沿管道40移動入第二閥門42，在該處隨後沿連接管道46將冷卻劑引導至管道22，隨後將 冷卻劑穿過第一組件12引導回去以開始另一加熱冷卻循環。由於第一閥門26和第二閥門 42處於連接位置，第一散熱器16和第二散熱器32被旁通。第一閥門26和第二閥門42可連接至控制器(未顯示)，其可選擇性地將第一閥門 26和第二閥門42從它們各自的獨立運轉位置移動至它們各自的連接位置。控制器可為微 處理器、計算機或機械裝置或任何其它適合用於控制第一閥門26和第二閥門42的位置和 它們各自在獨立位置和連接位置之間的移動的定時(timing)的機械機構。控制器可被配 置為用於基於ICE 28的溫度、或基於ICE 28是否打開或關閉、或基於任何其它需要的觸發 依據來控制第一閥門26和第二閥門42。在其它實施例中，可利用其它閥門以控制冷卻劑流 的路徑。控制第一閥門26和第二閥門42定位的控制器可被配置為當插電式混合動力電動 車輛以內燃發動機未運轉的僅電動模式運轉時將第一閥門26和第二閥門42移動至連接位 置。一旦內燃發動機開始運轉，其將迅速達到其不再用作冷卻穿過ISC 12流動的冷 卻劑的散熱器的溫度。在普通的通常運轉中，內燃發動機在大約180F和大約220F之間運 轉，而通常ISC以大概160F的最大溫度運轉。因此，一旦ICE在僅電動運轉結束時啟動並 保持運轉，控制器將使第一閥門26和第二閥門42從它們各自的連接位置移動至它們獨立 運轉位置，其將ISC 12從ICE28隔離並允許第一冷卻劑循環系統14和第二冷卻劑循環系 統30獨立運轉。在一些實施例中，ICE 28可緩慢加熱並可在一些時間段繼續有效地用作 ISC12的散熱器。在這種實施例中，控制器可以不將第一閥門26和第二閥門42移動至其各 自的獨立位置直至ICE 28達到預定溫度。參考圖2A的系統10的替代實施例，示出了用於利用插電式混合動力電動車輛的 組件所產生的熱量的系統10』。在系統10』中，第三組件50(在本例中示出為加熱器核心) 作用為冷卻離開ISC 12的加熱的冷卻劑的散熱器。在圖2A中，第一閥門26顯示為處於獨 立位置，其中第一冷卻劑循環系統14冷卻ISC 12。系統10』不包括第二閥門42或第二冷 卻劑循環系統30。參考圖2B，圖2A的系統10』被示出為第一閥門26移動至連接位置以將冷卻劑從 ISC 12引導至加熱器核心50。在加熱器核心50未連接至用於冷卻內燃發動機的冷卻劑循 環系統的插電式混合動力電動車輛實施例中，ISC12可為加熱器核心50的唯一熱源，而控 制第一閥門26的控制器可維持第一閥門26處於連接位置直至加熱器核心50的溫度上升 至其不再有效地用作ISC12的散熱器的水平。在這種情況下，控制器將使第一閥門26移動 至獨立位置，其中穿過ISC 12的冷卻劑將被第一散熱器16冷卻。當加熱器核心50的溫度 下降至低於預定溫度時，控制器可使第一閥門26返回連接位置以允許冷卻劑從ISC 12流向加熱器核心50。參考圖3A，說明了用於利用插電式混合動力電動車輛的組件所產生的熱量的系統 10」。在系統10」中，第一冷卻劑循環系統14與圖IA中所示用於系統10的相同。在系統 10」中，第二冷卻劑循環系統30使冷卻劑循環穿過ICE 28和加熱器核心50。冷卻劑從管 道38進入ICE 28，穿過ICE 28並在該過程中冷卻ICE 28，穿過管道40離開ICE 28，在管 道40中將其引導入加熱器核心50。進入加熱器核心50的加熱的冷卻劑在其穿過加熱器核 心50時加熱加熱器核心50，隨後離開加熱器核心50並沿管道41移動至第二閥門42。由 於第二閥門42處於獨立位置，將加熱的冷卻劑引導至管道34並隨後引導入第二散熱器32， 在該處其被冷卻並隨後進入管道36並被引導入管道38，在管道38中其進入ICE 28以開始 另一加熱冷卻循環。第一冷卻劑循環系統14和第二冷卻劑循環系統28的獨立運轉可能緊接著在內燃 發動機運轉用於輔助電動馬達推動車輛時插電式混合動力電動車輛僅電動運轉而發生。在 內燃發動機運轉之前，系統10」以圖3B中描述的方式運轉。控制器(未顯示)將第一閥 門26和第二閥門42移動至其各自的連接位置，有效地旁通過第一散熱器16和第二散熱器 32。如圖3B中所示，冷卻劑進入ISC 12並穿過其循環，在其被加熱的同時冷卻ISC 12。冷 卻劑離開ISC 12並進入管道24，在管道24中其被引導至第一閥門26。圖示為處於連接位 置的第一閥 門26沿連接管道44將冷卻劑引導至管道38，在管道38中將其引導入ICE 28。 加熱的冷卻劑穿過ICE 28，在其穿過ICE 28時加熱ICE28，並隨後在管道40中離開ICE 28，在管道40中將其引導入加熱器核心50，在該處進一步冷卻冷卻劑並在該過程中加熱加 熱器核心50。冷卻的冷卻劑沿管道41離開加熱器核心50並進入第二閥門42，第二閥門42 在處於連接位置時將冷卻劑引導入連接管道46，在連接管道46中冷卻劑被引導至管道22 並繼續被引導入ISC 12，在該處開始新的加熱冷卻循環。可在ICE 28沒有運轉任何足夠長 的時間時的插電式混合動力電動車輛的僅電動運轉期間利用圖3B中所示的系統10」。儘管已經說明並描述了本發明的實施例，其並非意味著這些實施例說明並描述了 本發明的所有可能形式。應當理解為，本說明書中使用的詞語為描述性詞語而非限定，且可 不脫離本發明的實質和範圍進行多種改變。
權利要求
一種插電式混合動力電動車輛的熱量利用系統，所述系統包含電組件，具有穿過所述電組件延伸的第一冷卻劑循環系統，所述第一冷卻劑循環系統包括第一散熱器；內燃發動機，具有穿過所述內燃發動機延伸的第二冷卻劑循環系統，所述第二冷卻劑循環系統與所述第一冷卻劑循環系統流體連通；其中所述第一冷卻劑循環系統被配置為選擇性地將加熱的冷卻劑從所述電組件引導至所述內燃發動機。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述電組件包含逆變器系統控制器。
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述第一冷卻劑循環系統進一步被配置 為選擇性地防止所述加熱的冷卻劑在所述電組件和所述第一散熱器之間流動。
4.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述第一冷卻劑循環系統進一步包含被 配置為用於選擇性地將所述加熱的冷卻劑流從所述電組件引導至所述內燃發動機和所述 第一散熱器中的一個的第一閥門。
5.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述第二冷卻劑循環系統進一步包含第 二散熱器和被配置為用於選擇性地將冷卻劑流從所述內燃發動機引導至所述電組件和所 述第二散熱器中的一個的第二閥門。
6.根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述第二閥門進一步被配置為用於當所 述第一閥門將所述加熱的冷卻劑從所述電組件引導至所述內燃發動機時將所述冷卻劑流 從所述內燃發動機引導至所述電組件。
7.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述第二閥門進一步被配置為用於當所 述第一閥門將所述加熱的冷卻劑從所述電組件引導至所述第一散熱器時將冷 卻劑流從所 述內燃發動機引導至所述第二散熱器。
8.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述第一閥門進一步被配置為用於當所 述內燃發動機未運轉時將所述加熱的冷卻劑從所述電組件引導至所述內燃發動機，其中所 述第一閥門進一步被配置為用於當所述內燃發動機運轉時將所述加熱的冷卻劑從所述電 組件引導至所述內燃發動機。
全文摘要
本發明公開了一種插電式混合動力電動車輛的熱量利用系統，包括具有穿過其延伸的第一冷卻劑循環系統的第一組件。第一冷卻劑循環系統包括第一散熱器。系統還包括具有穿過其延伸的第二冷卻劑循環系統的第二組件。第二冷卻劑循環系統與第一冷卻劑循環系統流體連通。第一冷卻劑循環系統被配置為用於選擇性地將加熱的冷卻劑從第一組件引導至第二組件。本發明可允許ICE維持在環境溫度之上的提高溫度，使得在暫時、間歇運轉期間ICE可以較高的效率水平運轉。
文檔編號B60K6/22GK101817302SQ20101012041
公開日2010年9月1日 申請日期2010年2月21日 優先權日2009年2月27日
發明者丹尼爾·斯科特·科爾文, 布蘭登·R·馬斯特森, 肯尼思·詹姆士·米勒 申請人:福特全球技術公司