用於電氣化車輛的車艙和電池冷卻控制的製作方法

2023-09-15 06:19:26 3

本公開涉及一種用於電氣化車輛的車艙和電池冷卻系統。

背景技術：

混合動力電動車輛和電動車輛使用馬達來推進車輛。電力通過電池供應給馬達。電池被配置為存儲也可用於為車輛其他部件供電的電荷。電池的有效使用允許車輛通過馬達進行推進。這可通過使用冷卻裝置來實現。利用由電池供電的馬達來推進車輛減少了車輛使用內燃發動機來運行的必要性。減少內燃發動機的運行增加了車輛的燃料經濟性。

技術實現要素：

一種氣候控制系統，包括牽引電池裝置、冷卻系統和控制器。冷卻系統包括：冷卻器；蒸發器；第一管道和第一閥，被布置為選擇性地形成包括冷卻器的冷卻液迴路，以冷卻牽引電池裝置；第二管道和第二閥，被布置為基於第二閥的開啟狀態選擇性地形成包括冷卻器和蒸發器的第一製冷劑迴路或旁通冷卻器而包括蒸發器的第二製冷劑迴路；以及壓縮機，被配置為用於使流體流過製冷劑迴路。控制器被配置成能夠響應於在流體流過至少一個製冷劑迴路的同時收到車艙冷卻請求而調整壓縮機速度來改變車艙的冷卻，以及改變第二閥的開啟狀態而改變牽引電池裝置的冷卻。

根據本發明的一個實施例，控制器還可被配置成能夠響應於第一製冷劑迴路內的製冷劑的過熱值降低至閾值以下，改變第二閥的開啟狀態以使過熱值保持於閾值。

根據本發明的一個實施例，控制器還可被配置成能夠響應於第一製冷劑迴路內的製冷劑的過熱值升高至閾值以上，改變第二閥的開啟狀態以使過熱值保持於閾值。

所根據本發明的一個實施例，控制器還可被配置成能夠響應於來自牽引電池裝置的冷卻需求以及第一製冷劑迴路內的製冷劑的過熱值超過閾值的冷 卻需求而改變第二閥的開啟狀態並調整壓縮機速度，以使製冷劑流過第一製冷劑迴路。

根據本發明的一個實施例，控制器還可被配置成能夠響應於來自牽引電池裝置的冷卻需求，改變第一閥的開啟狀態以使冷卻液通過冷卻液迴路。

根據本發明的一個實施例，控制器還可被配置成能夠響應於僅用於車艙冷卻的需求，改變第二閥的開啟狀態以引導製冷劑通過第二製冷劑迴路，並調整壓縮機速度以調整流過第二製冷劑迴路的製冷劑的質量流量。

一種用於車輛的氣候控制方法，車輛包括被配置為用於引導冷卻液通過冷卻器和電池裝置的冷卻液迴路以及包括壓縮機、閥和蒸發器的製冷劑迴路，所述車輛溫度控制方法包括以下步驟：基於從冷卻器輸出的製冷劑的壓力和溫度，改變壓縮機速度和閥的位置，以使製冷劑的溫度接近製冷劑的過熱值並改變冷卻液的溫度。

根據本發明的一個實施例，所述溫度控制方法還包括在壓縮機正在使製冷劑流過冷卻器的同時，改變包含於冷卻液迴路內的另一閥的位置，以使冷卻液流經冷卻器。

根據本發明的一個實施例，所述溫度控制方法還包括改變設置於冷卻液迴路內的另一閥的位置和包含於製冷劑迴路內的所述閥的位置以使製冷劑流過製冷劑迴路，以及改變壓縮機的速度以改變蒸發器製冷。

根據本發明的一個實施例，所述溫度控制方法還包括改變包含於製冷劑迴路內的所述閥的位置以使製冷劑流經製冷劑迴路，以及改變壓縮機的速度以改變冷卻器製冷。

一種車輛，包括：電池裝置；冷卻器；冷卻液迴路，被配置為用於引導冷卻液通過冷卻器和電池裝置；製冷劑迴路，包括壓縮機、閥及蒸發器；和控制器。控制器被配置為用於基於從冷卻器輸出的製冷劑的壓力和溫度改變壓縮機的速度和閥的位置，以改變冷卻液的溫度。

附圖說明

圖1為電動車輛的示意圖；

圖2為描繪冷卻液流過電池冷卻器和車艙蒸發器的流體迴路圖；

圖3為描繪冷卻系統的運行的控制邏輯流程圖；

圖4為描繪冷卻器和蒸發器控制模式的運行的控制系統圖；

圖5為描繪冷卻器控制模式的運行的控制系統圖；

圖6為描繪蒸發器控制模式的運行的控制系統圖；

具體實施方式

在此描述了本公開的實施例。然而，應理解公開的實施例僅為示例，其它實施例可以採用各種替代的形式。附圖無需按比例繪製；可誇大或最小化一些特徵以顯示特定部件的細節。所以，在此所公開的具體結構和功能細節不應解釋為限定，而僅為用於教導本領域技術人員以多種形式利用本發明的代表性基礎。如本領域內的技術人員將理解的，參考任一附圖示出和描述的各個特徵可與一個或更多個其它附圖中示出的特徵組合以形成未明確示出或描述的實施例。示出的特徵的組合為典型應用提供代表性實施例。然而，與本公開的教導一致的特徵的各種組合和變型可以期望用於特定應用或實施方式。

圖1描繪了一種典型混合動力電動車輛10的示意圖。然而，某些實施例也可在插電式混合動力車輛和純電動車輛的情況下實施。車輛10包括機械地連接到混合動力變速器14的一個或更多個電機12。在至少一個實施例中，單個電機12可機械地連接到混合動力變速器14。電機12能夠作為馬達或發電機運轉。此外，混合動力變速器14可機械地連接到發動機16。混合動力變速器14也可機械地連接到驅動軸18，所述驅動軸18機械地連接到車輪20。當發動機16打開或關閉時，電機12可通過驅動軸18向車輪20提供推進力和減速能力。電機12也可充當發電機，並能通過再生制動回收能量而提供燃料經濟效益。電機12減少汙染物排放，並通過減少發動機16的工作負載來提高燃料經濟性。

牽引電池或電池組22儲存可被電機12使用的能量。牽引電池22一般從牽引電池22內部的一個或更多個電池單元陣列(有時被稱為電池單元堆)輸出高壓直流電(DC)。電池單元陣列可包括一個或更多個電池單元。

使用電機12推進需要來自電池22的電力。為電機12供應電力會導致電池22產生熱能。對電池22充電也可導致電池22產生熱能。熱能，以熱量的形式存在，會使儲存在電池22內的荷電衰減。這會使車輛10利用電機12進行推進的時間長度減少。因此，冷卻電池22會是有益處的。電池的冷卻可消散來自電池22的熱能，並增加由電池22至電機12的電力傳輸效率。這會允 許電機推進車輛10的時間段更長，並減少車輛通過發動機16被推進的時間段。

所述的各種部件可具有一個或更多個關聯的控制器來控制和監控部件的操作。多個控制器之間可經由串行總線(例如，控制器區域網(CAN))或經由專用電導管(electrical conduit)進行通信。

圖2描繪了用於冷卻電池22的冷卻系統24的流體迴路圖。冷卻系統24利用不同熱迴路中的製冷劑和冷卻液來優化電池22的性能。第一熱迴路23和第二熱迴路25可用於控制冷卻液的溫度。第三熱迴路27和第四熱迴路29可用於控制製冷劑的溫度。第三熱迴路27也可用於優化冷卻液和製冷劑兩者的溫度。冷卻液可為傳統冷卻液混合物，例如水和乙二醇。製冷劑可為傳統製冷劑，例如R134a或1234yf。當需要車艙和電池熱管理時，第三熱迴路27和第四熱迴路29可同時運行。

第一熱迴路23和第二熱迴路25可包括冷卻液泵34、電池22、散熱器42、冷卻器28和導流閥(diverter valve)44。泵34被用於使冷卻液通過第一熱迴路23和第二熱迴路25進行循環。泵34泵送冷卻液至電池22。冷卻液在與電池22互相作用前經過冷卻液溫度傳感器36，以監測冷卻液的溫度。電池溫度傳感器38可被用於監測電池22的溫度。

控制器40(或控制模塊)與冷卻液溫度傳感器36和電池溫度傳感器38進行通信，從而基於電池22的溫度需求，優化地控制冷卻液流動通過第一熱迴路23和第二熱迴路25。在至少一個其它實施例中，控制器可與多個溫度傳感器38進行通信。冷卻液與電池22互相作用以從電池22中吸收熱量。來自電池22的變熱的冷卻液經過第一熱迴路23被泵入散熱器42。散熱器42利用流過散熱器42的環境空氣將變熱的冷卻液進行冷卻。散熱器42允許冷卻液使從電池22吸收的熱能消散並循環回到電池22用於進一步的冷卻。

導流閥44可被用於調節來自散熱器42的冷卻液的流動。如果環境溫度在預定閾值之上或電池溫度在預定電池溫度閾值之上，那麼散熱器42可能不會給冷卻液提供足夠的冷卻來滿足電池的冷卻需求。當環境溫度在閾值之上時，導流閥44可能被控制器40開啟，以延遲冷卻液從散熱器42流出。當導流閥44被開啟時，會迫使待被泵34泵送的冷卻液通過第二熱迴路25中的冷卻器28。例如，冷卻液在吸收來自電池22的熱能之後也可通過冷卻器28進行循環，從而充分冷卻冷卻液來滿足電池的冷卻需求。

第三熱迴路27和第四熱迴路29可包括壓縮機46、冷凝器48和蒸發器50。壓縮機46通過第三熱迴路27和第四熱迴路29對製冷劑進行加壓和循環。壓力傳感器51和溫度傳感器53確定測量製冷劑的過熱值所需要的製冷劑的壓力和溫度。當製冷劑從壓縮機46經過至冷凝器48時，另一個壓力傳感器52可監測其壓力，從而基於來自壓力傳感器51的壓力來確定製冷劑的壓力比。壓縮機46使製冷劑循環至冷凝器48。冷凝器48可包括風扇54。冷凝器48被配置為用於將製冷劑由氣體冷凝為液體以進一步冷卻製冷劑。如果製冷劑壓力在預定閾值之上，那麼控制器40會啟動風扇54。風扇54與進氣格柵(未示出)的結合輔助進一步使來自製冷劑的熱能消散。

基於來自蒸發器50的需求，製冷劑可在第四熱迴路29內被循環。冷凝器48與風扇54的結合輔助使製冷劑在第四熱迴路29內吸收的熱能消散，以滿足蒸發器50的需求。製冷劑在進入蒸發器50前，流過第一膨脹閥57。第一膨脹閥57可以是被控制器40主動控制的電子膨脹閥。附加的溫度傳感器59和膨脹閥57一起被用於調節通過蒸發器50的製冷劑的流動。在至少一個其它實施例中，第一膨脹閥57可以是被動熱膨脹閥。製冷劑截止閥56可被用於阻止製冷劑流過第四熱迴路29。製冷劑截止閥56也可用於允許製冷劑流過蒸發器50。當製冷劑截止閥允許製冷劑流過蒸發器50時，在電子膨脹閥58打開的條件下，製冷劑可流過第三熱迴路27和第四熱迴路29。

第三熱迴路27另外包括冷卻器28和第二膨脹閥58。冷卻器28還可被配置為用於實現製冷劑的熱傳遞。製冷劑截止閥56隻阻礙製冷劑流向蒸發器50。為允許製冷劑流過冷卻器28，只需打開膨脹閥58。第二膨脹閥58可以是被控制器40主動控制的電子膨脹閥。在至少一個其它實施例中，第二膨脹閥58可以是被動熱膨脹閥。第二膨脹閥58被配置為用於基於冷卻器28的需求來改變製冷劑的流動。流過冷卻器28的製冷劑與冷卻液換熱，從而進一步輔助使電池運行產生的熱能消散。

冷卻器28還可用於與加熱器45進行流體連接。加熱器45被配置為用於加熱冷卻液。這允許熱量管理系統24對電池22提供加熱和冷卻。熱量管理系統24確定電池22是否需要加熱。如果電池22需要加熱，熱量管理系統24使用多個加熱級別來滿足電池22的需求。

當由於導流閥44已經被開啟冷卻液被泵送通過冷卻器28時，製冷劑也可輔助吸收來自冷卻器28中的冷卻液的熱能。這與主動冷卻系統相一致。經 由從冷卻液到製冷劑的熱量傳遞的主動冷卻允許電池溫度的進一步優化。因此，第三熱迴路27通過第二膨脹閥58而包括冷卻器28和壓縮機46。

控制器40可實施下述控制邏輯，以優化冷卻器28和蒸發器50內的冷卻。雖然在示出的實施例中被示意性地示出為單個模塊，但是控制器40可以是更大的控制系統中的一部分，且可被車輛中的各種其它控制器所控制，例如但不僅限於包括電池能量控制模塊的車輛系統控制器。

圖3描繪了控制器40的操作的控制邏輯流程圖。在步驟60處，控制器40確定是否存在車艙冷卻請求。車艙空氣調節冷卻請求產生製冷劑流向蒸發器的需求。如果在步驟60處不存在車艙空氣調節冷卻請求，則在步驟62處，控制器40確定是否存在電池冷卻器冷卻請求。電池冷卻器冷卻請求產生冷卻液和製冷劑流過冷卻器的需求。如果在步驟62處不存在電池冷卻器冷卻請求，控制邏輯結束。然而，如果步驟62處存在電池冷卻器冷卻請求，則在步驟71處控制器40可命令僅電池冷卻模式，在所述模式中在步驟64處控制器40關閉導流閥。如上所述，在步驟64處，當使用散熱器的被動電池冷卻不足以滿足電池冷卻的需求時，控制器40會關閉導流閥。

在步驟64處，關閉導流閥會引起上面描述的在冷卻液和製冷劑之間的熱傳遞。在步驟66處，控制器40改變第二膨脹閥的位置以提供充足的製冷劑流過電池冷卻器，來滿足所期望的冷卻器製冷劑出口過熱值。在步驟68處控制器40調節壓縮機的速度來優化製冷劑流過冷卻器的流動，從而完成冷卻液和製冷劑之間所期望的熱傳遞，以達到目標冷卻液溫度。

回至步驟60，控制器40可能會收到車艙冷卻請求。如果在步驟60處車艙冷卻請求存在，在步驟74處，控制器40確定是否存在通過冷卻器的電池冷卻請求。在步驟74處的確定可導致步驟73處僅車艙冷卻模式或步驟75處車艙和電池冷卻模式。如果在步驟74，通過冷卻器的電池冷卻請求不存在，在步驟73處，控制器40可命令處於僅車艙冷卻模式，在所述模式中，在步驟76處控制器40命令截止閥保持開啟且調整導流閥的位置，以使冷卻液流向冷卻器或散熱器。在步驟76處，為允許冷卻液流向冷卻器或散熱器而調整導流閥的位置，允許冷卻液流過散熱器並被動地冷卻電池。由於達到電池冷卻所需的能耗最小，被動冷卻電池是有益處的。在步驟78處，控制器40也可命令第二膨脹閥關閉。這再次與電池的被動冷卻相一致。在步驟80處，被動電池冷卻通過調節壓縮機的速度來達到所期望的蒸發器溫度，從而允許控 制器40滿足步驟60處車艙冷卻的需求。

如果在步驟74處，存在通過冷卻器的電池冷卻請求，在步驟75處，控制器可命令處於電池和車艙冷卻模式，在所述模式中，在步驟77處控制器40命令截止閥保持開啟並調整導流閥的位置，以使冷卻液流過冷卻器。如果在步驟74處存在通過冷卻器的電池冷卻請求，在步驟79處控制器40也會調整電子膨脹閥來驅使電池冷卻器製冷劑過熱值接近期望值。為達到步驟60處車艙冷卻的需求，在步驟81處控制器也可調節壓縮機的速度來達到所期望的蒸發器溫度。控制器40在顧及達到車艙的充足冷卻的同時，也會補償電池的冷卻需求。因此，電池冷卻液泵和導流閥的狀態都是基於熱管理系統的需求確定的。

圖4描繪了用於第二膨脹閥的膨脹閥控制系統81和用於滿足冷卻器及蒸發器的冷卻需求的壓縮機控制系統82。控制系統81監測冷卻器的過熱值而輸出第二膨脹閥的位置。在85處，控制系統81還使用變化率限制器來進一步輔助啟動第二膨脹閥通過打開和關閉過渡。控制系統82監測蒸發器的溫度來輸出壓縮機的速度。

控制系統81計算86處的目標過熱值和88處的實際過熱值。在88處實際過熱值是通過來自90處冷卻器製冷劑的壓力和91處冷卻器製冷劑的溫度輸入被計算的。目標過熱值是通過93處諸如車艙溫度、蒸發器溫度、電池冷卻液溫度、環境溫度和車艙冷卻請求的輸入被計算的。在92處從88處的實際過熱值減去86處的目標過熱值。在94處，對92處的結果運算比例增益，而在96處運算積分增益。94處的比例增益與對88處的實際過熱值和86處的目標過熱值的比較的短期響應一致。96處的積分增益與88處的實際過熱值和86處的目標過熱值的對比的長期響應相一致。在98處，基於94、96處的PI控制的最小位置值和最大位置值被修剪(clip)。在100處，基於98處產生的值，第二膨脹閥控制系統81輸出第二膨脹閥的位置。

壓縮機控制系統82接收102處的實際蒸發器溫度和104處的目標蒸發器溫度。在106處102處的實際蒸發器溫度減去104處的目標蒸發器溫度。在108處，對104處的目標蒸發器溫度和102處的實際蒸發器溫度的對比運算比例增益，而在110處，運算積分增益。這些數據被類似地輸出並利用116處的最小和最大壓縮機速度修剪進行調整。在119處，控制系統120還使用變化率限制器來進一步輔助啟動第二膨脹閥通過打開和關閉過渡。那麼，利 用這種計算方法，在118處壓縮機控制系統84輸出壓縮機速度。

圖5描繪了當只有電池存在冷卻需求時，電子膨脹閥控制系統120和壓縮機控制系統126控制電池冷卻器。控制系統120監測122處測量的過熱值和124處的目標過熱值，以輸出第二膨脹閥的位置。控制系統126再採用127處測量的冷卻器溫度和128處的目標冷卻器溫度來控制電動壓縮機的速度。

控制系統120在124處計算目標過熱值，在122處計算實際過熱值。122處的實際過熱值是通過來自121處的冷卻器製冷劑壓力和123處冷卻器製冷劑溫度的輸入來計算的。目標過熱值是通過125處諸如車艙溫度、蒸發器溫度、電池冷卻液溫度、環境溫度以及車艙冷卻請求的輸入來計算的。在126處，122處的實際過熱值減去124處的目標過熱值。在130處，對126處的結果運算比例增益，而132處運算積分增益。130處的比例增益與122處的實際過熱值和124處的目標過熱值的對比的短期響應一致。132處的積分增益與122處的實際過熱值和124處的目標過熱值的對比的長期響應一致。在140處，基於130、132處的PI控制的最小和最大位置值被修剪。在141處，基於140處產生的值，第二膨脹閥控制系統120輸出第二膨脹閥的位置。

控制系統126利用類似的控制策略。127處的測量的冷卻器冷卻液溫度和128處的目標冷卻器冷卻液溫度被輸入至142處的加法器。利用144處的比例增益和146處的積分增益將它們進行對比，與上述的PI控制策略一致。在154處的最大及最小壓縮機速度修剪從來自144處、146處的PI控制策略的值輸出156處的電動壓縮機的速度。因此，當存在電池冷卻請求而沒有車艙冷卻請求時，壓縮機控制系統126設置156處的壓縮機速度，以滿足冷卻器的冷卻需求。

圖6描繪了當僅存在車艙冷卻需求時的壓縮機控制系統158。壓縮機控制系統158利用160處的實際蒸發器溫度和162處的目標蒸發器溫度。160處的實際蒸發器溫度和162處的目標蒸發器溫度被輸入至164處的加法器。160處和162處的蒸發器溫度值利用166處的比例增益和168處的積分增益進行比較。這與上述的PI控制策略一致。在176處的最大和最小壓縮機速度修剪輸出在178處的壓縮機速度。利用160處的實際蒸發器溫度和162處的目標蒸發器溫度，壓縮機控制系統158在178處輸出壓縮機速度，以滿足車艙的冷卻需求。當壓縮機控制系統158被使用時，至冷卻器的電子膨脹閥被關閉。

雖然上述描述了示例性實施例，但並非理解為這些實施例描述了權利要求包含的所有可能的形式。在說明書中使用的詞語是描述性詞語而非限制性詞語，應該理解，在不脫離本公開的精神和範圍的情況下能夠進行各種變化。如前所述，各個實施例的特徵可組合，以形成本發明可能沒有明確描述或說明的進一步的實施例。雖然各個實施例能被描述為提供優點或者在一個或更多個期望特性方面優於其它實施例或現有技術實施方式，但是本領域的普通技術人員認識到，根據具體應用和實施方式，一個或更多個特點或特性可被折衷，以實現期望的總體系統屬性。這些屬性包括但是不限於成本、強度、耐用性、生命周期成本、可銷售性、外觀、封裝、尺寸、可維護性、重量、可製造性、易組裝性等。這樣，在此討論的被描述為在一個或更多個特性方面不如其它實施例或現有技術實施方式合意的實施例不在本公開的範圍之外，且可期望用於特定應用。