用於提高機動車輛的能量效率的設備的製作方法

2023-07-03 11:01:51 1

專利名稱：用於提高機動車輛的能量效率的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於車輛的舒適性控制系統，該系統包括具有流體溫度控制迴路的熱電熱泵(珀耳帖裝置(Peltier device))，具體地說，本發明涉及這樣一種系統，在該系統中，通過所述流體溫度控制迴路和控制動力傳動系統部件的溫度的第二流體溫度控制迴路之間的熱能交換來提高能量效率。
背景技術：
電動車輛(包括混合動力電動車輛、燃料電池車輛、插電式電動車輛等)具有一個或多個動力傳動系統部件，為了獲得最佳性能，所述一個或多個動力傳動系統部件應該保持在期望的操作溫度範圍內。這樣的動力傳動系統部件的示例是高電壓蓄電池、電機(電動機、發電機和/或組合裝置)以及變速器。在一些工況下，需要溫度控制系統來冷卻和/或加熱所述部件，以使這些部件保持在期望的溫度範圍內。已知的是提供溫度控制系統，在該溫度控制系統中，流體(通常是液體)循環到動力傳動系統部件、循環通過動力傳動系統部件或圍繞動力傳動系統部件循環，這樣，流體去除(或增加)動力傳動系統部件的熱能，且流體循環通過熱交換器，以將熱能排出(或吸收)到一些其他介質(通常是環境空氣)。在上下文中，術語「熱交換器」指的是可實現期望結果的任何設備，該期望結果是將熱加到在控制系統中循環的流體和/或從所述流體去除熱。可通過諸如流體/流體熱交換器、製冷劑循環熱泵及熱電熱泵(也被稱為珀耳帖裝置)的設備執行這種熱交換功能。目前，在一些自動車輛中使用熱電熱泵來冷卻和/或加熱儲藏室，從而以期望的溫度儲藏食物或飲品。還已知的是使用熱電熱泵來加熱和/或冷卻車輛內部的座椅。在這樣的「空調式座椅」中，接觸座椅乘員的座椅面通常被打孔，風扇使空氣循環通過珀耳帖冷卻器的冷側，並將冷卻或加熱後的空氣從座椅皮中的孔中吹出。還已經提出使液體熱交換器與熱電熱泵集成。在這個構思中，液態工作流體經過熱泵。在加熱模式下，通過熱電裝置將熱從工作流體泵送到令乘客舒適的空氣中。在冷卻模式下，將熱從空氣排出到液態工作流體中。

發明內容
本發明的目的在於:通過減少或消除為了獲得令人舒適的車艙溫度而使用電力來使傳統的加熱器或空調單元運轉的需要，來提高機動車輛(尤其是電動車輛)的總能量效率。根據在此公開的特徵，提供一種用於機動車輛的內部的溫度控制設備，該機動車輛具有將熱交換流體輸送到動力傳動系統部件的溫度控制迴路，該溫度控制設備包括:熱電熱泵，設置在所述車輛中；舒適性控制迴路，與熱電熱泵及動力傳動系統溫度控制迴路交換熱。這使可通過熱電熱泵被輸送到期望位置的加熱淨量或冷卻淨量增加，從而減少為了使氣候控制系統運轉而可能另外需要的電力的量。
根據在此公開的另一特徵，舒適性控制迴路從動力傳動系統溫度控制迴路分支出來，並輸送在動力傳動系統溫度控制迴路中輸送的熱交換流體中的一部分熱交換流體。根據在此公開的另一特徵，舒適性控制迴路輸送第二熱交換流體，所述第二熱交換流體與動力傳動系統溫度控制迴路的熱交換流體交換熱。根據在此公開的另一特徵，提供一種在機動車輛中用於乘客舒適性控制的設備，該設備可提高機動車輛的能量效率，所述設備包括:動力傳動系統部件；溫度控制迴路，使熱交換流體循環到動力傳動系統部件；熱電熱泵，設置在所述車輛的乘客室中；舒適性控制迴路，從溫度控制迴路分支出來，並將一部分熱交換流體輸送到熱電熱泵。動力傳動系統部件是蓄電池、燃料電池、電機、電力電子單元及機械式變速器中的至少一個。由舒適性控制迴路輸送的所述一部分熱交換流體通過閥進行調節。所述閥受自動氣候控制系統控制。熱電熱泵位於乘客座椅中。溫度控制迴路包括熱交換器，熱交換流體流過所述熱交換器。所述熱交換器是第二熱電熱泵。根據在此公開的另一特徵，提供一種用於提高機動車輛的能量效率的設備，該設備包括:動力傳動系統部件；溫度控制迴路，使熱交換流體循環到動力傳動系統部件，並包括動力傳動系統熱交換器；熱電熱泵，設置在所述車輛的乘客室中；舒適性控制迴路，與動力傳動系統溫度控制迴路及熱電熱泵交換熱。根據在此公開的另一特徵，乘客舒適性控制設備還包括:HVAC系統，使空氣循環通過乘客室；電子控制單元，控制HVAC系統和熱電熱泵。將對熱電熱泵的控制與HVAC系統集成實現了最優的能量管理，從而最小化能量使用同時保持令乘客舒適的環境。舒適性控制迴路從動力傳動系統溫度控制迴路分支出來，並輸送一部分熱交換流體。


圖1是根據公開的第一實施例的熱電舒適性控制系統的示意性系統框圖；圖2A是熱電熱泵以及熱交換流體迴路的示意圖；圖2B是在熱電熱泵中使用的類型的珀耳帖元件的示意圖；圖3是第二實施例的熱電舒適性控制系統的示意性系統框圖。
具體實施例方式根據需要，在此公開本發明的具體實施例；然而，應該理解的是，公開的實施例僅僅是可以以多種和可選的形式實施的本發明的示例。附圖不一定按比例繪製；可能會誇大或最小化一些特徵，以示出具體部件的細節。因此，在此公開的具體結構和功能性細節不應該被解釋為限制，而僅僅作為用於教導本領域的技術人員以各種方式使用本發明的代表性基礎。參照圖1，用於車輛的熱電舒適性控制系統包括一個或多個熱電熱泵10，所述一個或多個熱電熱泵10位於車輛的乘客室中、位於乘客室上或鄰近於乘客室。在示出的實施例中，熱電熱泵(TEHP)位於乘客座椅12內，一個位於座椅底部中，一個位於座椅靠背中。TEHP可設置在乘客艙內需要加熱和/或冷卻的其他位置，例如，座椅下方、鄰近腳坑區域、車身裝飾板(例如，車頂內襯或門裝飾件)的後面或者儀錶板的後面。此外，TEHP可位於儲藏室內或鄰近於儲藏室，以(例如，如有需要)加熱和/或冷卻儲藏室，從而以期望的溫度儲藏食物或飲品。在此描述的TEHP根據眾所周知的珀耳帖效應操作，在珀耳帖效應中，DC電壓施加在成對的η型熱電元件和P型熱電元件上，以使電子流及由此產生的熱從所述元件的「冷側」傳遞到「熱側」。使DC電壓的極性顛倒會使電子流反向，並導致熱側和冷側交換。因此，通過簡單地施加極性合適的電壓，單個TEHP可用作加熱裝置或冷卻裝置。下面的描述主要討論TEHP 10用於冷卻車輛內部的情形。然而，這不應該被解釋為限制本發明的範圍，這是因為如上所述，如果有需要的話，TEHP 10可容易地操作用以加熱車輛內部。舒適性控制迴路14使熱 交換流體循環通過TEHP 10。舒適性控制迴路14可包括中空管道或管，該中空管道或管進入TEHP並橫穿珀耳帖裝置的一側，以允許在流體和珀耳帖裝置之間進行熱能交換，並離開ΤΕΗΡ。在圖1中示出的實施例中，舒適性控制迴路14從動力傳動系統溫度控制迴路16分支出來，並輸送循環通過動力傳動系統溫度控制迴路的熱交換流體中的一部分熱交換流體。從動力傳動系統溫度控制迴路16改向以循環通過舒適性控制迴路14的所述一部分熱交換流體或該熱交換流體的量可通過一個或多個閥18進行調節，優選地，所述一個或多個閥18受電子控制單元(ECU)20控制，將在下面進一步描述ECU 20的操作。泵19可被設置為對通過舒適性控制迴路14的流體的流動方向和流量提供附加控制。動力傳動系統溫度控制迴路16與一個或多個動力傳動系統部件22及熱交換器24交換熱能。在電動車輛中，動力傳動系統部件22可包括一個或多個部件，例如，高電壓蓄電池、電動機、發電機和電力電子單元(例如，DC/DC或AC/DC轉換器)。在大多數車輛工況下，這樣的動力傳動系統部件將在操作時產生過多的熱，從而在動力傳動系統溫度控制迴路16中循環的熱交換流體從所述部件帶走熱。熱交換器24可包括傳統的液體-液體熱交換器或液體-空氣熱交換器、利用流體製冷劑循環的熱泵和熱電(珀耳帖)熱泵中的一個或多個。無論如何，動力傳動系統溫度控制迴路16和熱交換器24的目的都在於:如果有需要的話，加熱或冷卻動力傳動系統部件22，以保持期望的操作溫度範圍。E⑶20可從各種傳感器和控制器接收信號或輸入。這樣的傳感器的不例包括:車艙溫度傳感器26 ;外部溫度傳感器28 ;監測動力傳動系統部件22、熱交換器24或動力傳動系統溫度控制迴路16的狀況的傳感器32。所述輸入可由車輛乘員使用氣候控制面板30產生。這樣的輸入可包括期望的溫度、風扇速度、氣流的方向或者單純的「加熱」或「冷卻」。ECU 20控制閥18和/或泵19的狀態，以調節到達TEHP 10的熱交換流體的方向和/或流量。優選地，E⑶20還控制施加到TEHP 10內的珀耳帖元件的電壓/電流/極性。通過監測和/或控制行進通過舒適性控制迴路14的熱交換流體的基本參數(即，溫度和體積流量)以及施加到珀耳帖裝置和TEHP 10的電流的極性和電壓，ECU 20控制供應到車輛內部和任何乘員的加熱和/或冷卻的量或水平。從/^IjTEHP 10的熱傳遞可通過與TEHP集成或鄰近於TEHP的一個或多個風扇或其他空氣運動裝置(未示出)來加強，以使空氣循環通過珀耳帖裝置的乘員/車艙側。ECU20還可控制風扇的開/關狀態和/或速度。E⑶20還可控制其他車輛舒適性控制系統，例如，HVAC系統36，且E⑶20可具有一個或多個自動氣候控制操作模式。HVAC系統36包括用於使加熱後的空氣、冷卻後的空氣、或以其他方式調節的空氣循環通過車輛內部的設備，例如，傳統的空調系統和/或車輛加熱器。可選地，ECU 20可與用於HVAC系統36的單獨的控制裝置(未示出)連接，以使這兩個系統可以以協作的方式操作。如在圖2A中示意性地示出的，TEHP 10的可能的實施例包括布置在多管式管道52的相對兩側上的珀耳帖元件50。管道52是舒適性控制迴路14的一部分，並沿著進入頁面/離開頁面的方向引導熱交換流體。散熱片54沿著兩個方向(向上和向下，如圖2A所示)從珀耳帖元件50向外延伸，整個結構包含在氣流外殼56中。風扇58 (或其他空氣運動裝置)被布置為迫使空氣(通常是來自車輛的乘客艙或其他內部室的環境空氣)通過氣流外殼56並越過散熱片54。氣流離開TEHP 10，並進入到車輛內部的正被系統加熱或冷卻的部分中。圖2B再次以示意性形式示出了珀耳帖元件50的示例。每個珀耳帖元件包括P型元件50a和η型元件50b，如所示出的，P型元件50a和η型元件50b彼此電連接並與DC電壓源電連接。當按照所指示的極性施加電壓時，元件50的與管道52 (見圖2A)接觸的側部變成熱側，元件50的與散熱片54接觸的相對側部變成冷側。在暖和的日子裡，當車輛乘員很可能以冷卻模式使用TEHP 10時，來自珀耳帖元件的熱側的熱能在舒適性控制迴路14中的熱交換流體循環通過TEHP時傳遞到該熱交換流體。因此，流體從乘客室中帶走熱，並與循環通過動力傳動系統溫度控制迴路16的其餘熱交換流體一起行進到/行進通過熱交換器24。此外，在這樣暖和的日子裡，動力傳動系統部件22通常將產生過多的熱，所述過多的熱必須通過動力傳動系統溫度控制迴路16被去除，以使動力傳動系統部件保持在期望的操作溫度範圍內。所以，熱交換器24將以這樣的模式操作，該模式冷卻在動力傳動系統溫度控制迴路16中循環的流體。如果熱交換器24是熱泵(製冷劑循環或珀耳帖)，則熱交換器24將以冷卻模式操作，這與冷卻從舒適性控制迴路14到達熱交換器的流體的需要是兼容的。在較冷的環境條件下，車輛乘員可能以加熱模式使用TEHP 10，在加熱模式下，循環通過舒適性控制迴路14的熱交換流體越過TEHP的冷側。因此，流體在離開TEHP 10時比其進入TEHP 10時更冷，並且流體在返回到TEHP之前必須獲得熱能。在除了非常冷的環境條件之外的所有環境條件下，對於熱能的這種需要將通過由動力傳動系統部件22產生的過多的熱來滿足。在非常冷的環境條件下，動力傳動系統部件22可能需要通過動力傳動系統溫度控制迴路16進行加熱，以保持在期望的操作溫度範圍內。在這種情況下，熱交換器24將以這樣的模式操作，該模式加熱在動力傳動系統溫度控制迴路16及分支出來的舒適性控制迴路14中循環的流體。可根據需要(使用雙向泵19或任何其他合適的裝置)控制流體流過舒適性控制迴路14所沿的方向，以使工作流體在最適合於系統操作的位置從動力傳動系統溫度控制迴路16改向。流動方向可取決於多種因素，例如，環境溫度、流體溫度、動力傳動系統部件溫度、TEHP的指令功能等。
圖3示出了第二實施例的熱電熱泵舒適性控制系統，在該系統中，以與圖1的實施例不同的方式在舒適性控制迴路114和動力傳動系統溫度控制迴路之間交換熱。在該第二實施例中，動力傳動系統部件122是油冷部件，諸如(例如)機械式變速器或電機(發電機、電動機或集成式電動機/發電機)。冷卻油通過泵23a經主動力傳動系統溫度控制迴路116a循環到油-冷卻劑熱交換器124a。副動力傳動系統溫度控制迴路116b包含第二熱交換流體，第二熱交換流體循環通過油-冷卻劑熱交換器124a及第二流體-空氣熱交換器124b。在由受E⑶20控制的泵38提供的壓力條件下，舒適性控制迴路114還經過油-冷卻劑熱交換器124a。在舒適性控制迴路114中循環的熱交換流體與主動力傳動系統溫度控制迴路116a和副動力傳動系統溫度控制迴路116b均保持物理地分離，根據油-冷卻劑熱交換器124a的內部構造，在舒適性控制迴路114中循環的熱交換流體可與在主動力傳動系統溫度控制迴路116a和副動力傳動系統溫度控制迴路116b中的任一個或兩個中輸送的流體(油和/或冷卻劑)交換熱。在該第二實施例中，如同圖1的第一實施例一樣，舒適性控制迴路與動力傳動系統溫度控制迴路交換熱以增加熱量，該熱可利用熱電熱泵而有效地傳遞到車艙的期望部分中(或者從車艙的期望部分傳遞出來)。雖然在上面描述了示例性實施例，但是並不意味著這些實施例描述了本發明的所有可能的形式。相反，在說明書中使用的詞語是描述性詞語而不是限制性詞語，應該理解的是，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可進行各種改變。另外，實現的各個實施例的特徵可被組合，以形成本發明的進一步的實施例。
權利要求
1.一種用於提高機動車輛的能量效率的設備，所述機動車輛具有將熱交換流體輸送到動力傳動系統部件的動力傳動系統溫度控制迴路，所述設備包括: 熱電熱泵，設置在所述車輛中； 舒適性控制迴路，與熱電熱泵及動力傳動系統溫度控制迴路交換熱。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，舒適性控制迴路從動力傳動系統溫度控制迴路分支出來，並輸送一部分熱交換流體。
3.根據權利要求2所述的設備，其中，由舒適性控制迴路輸送的所述一部分熱交換流體通過至少一個閥進行調節。
4.根據權利要求3所述的設備，其中，所述至少一個閥至少部分地受自動氣候控制系統控制。
5.根據權利要求1所述的設備，其中，舒適性控制迴路輸送第二熱交換流體，所述第二熱交換流體與動力傳動系統溫度控制迴路的熱交換流體交換熱。
6.根據權利要求5所述的設備，其中，舒適性控制迴路和動力傳動系統溫度控制迴路在熱交換器中交換熱。
7.根據權利要求1所述的設備，其中，動力傳動系統部件是蓄電池、燃料電池、電動機、電力電子單元及機械式變速器中的至少一個。
8.根據權利要求1所述的設備，其中，熱電熱泵位於乘客座椅中。
9.根據權利要求1所述的設備，其中，動力傳動系統溫度控制迴路包括熱交換器，熱交換流體流過所述熱交換器。
10.根據權利要求9所述的設備，其中，所述熱交換器是第二熱電熱泵。
全文摘要
本發明公開了一種用於提高機動車輛的能量效率的設備，該機動車輛具有使熱交換流體循環到動力傳動系統部件的溫度控制迴路。熱電熱泵(珀耳帖裝置)設置在車輛中，以加熱或冷卻期望的區域，流體舒適性控制迴路與熱電熱泵及動力傳動系統溫度控制迴路交換熱，從而增加可通過熱電熱泵被輸送到期望的位置的加熱淨量或冷卻淨量。舒適性控制迴路可從動力傳動系統溫度控制迴路分支出來，並可輸送在動力傳動系統溫度控制迴路中輸送的熱交換流體中的一部分熱交換流體。可選地，舒適性控制迴路可輸送第二熱交換流體，所述第二熱交換流體與動力傳動系統溫度控制迴路的熱交換流體保持分離，並在熱交換器中與動力傳動系統溫度控制迴路的熱交換流體交換熱。
文檔編號B60N2/56GK103158496SQ201210521200
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月6日 優先權日2011年12月8日
發明者克萊·韋斯利·馬蘭維爾, 詹姆士·喬治·加比, 肯尼斯·J·傑克遜 申請人:福特全球技術公司