电池预冷却系统和方法与流程

1.本公开涉及电动车辆电池的充电。


背景技术：

2.此部分中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
3.电动车辆(ev)包括向电动机提供电力以进行推进的直流(dc)电池。为ev的dc电池充电需要将交流(ac)电转换成dc电，并且在高于电池的电压的电压下向电池提供dc电流。
4.1级和2级充电使用位于ev上的交流—直流转换器，以分别将120vac电和240vac电转换为直流电，以便为ev的电池充电。使用120vac的1级充电，需要约16小时左右才能为80英里的电池充满电，并且需要约40小时左右才能为200英里的电池充满电。使用240vac的2级充电，需要约3.5小时左右才能为80英里的电池充满电，并且需要约8小时左右才能为200英里的电池充满电。
5.为了减少充电时间，已经开发了dc快速充电站。dc快速充电站将ac电转换为位于ev外部的充电站处的dc电。使用3级dc快速充电(其中480vac电转换为充电站处的dc电)，需要大约30分钟左右才能为ev电池充满电。然而，此类快速充电站涉及高充电功率，这继而需要高充电电流。
6.使用高充电电流对大型电池进行高功率充电可导致电池由于根据下列公式的焦耳加热而自加热：
7.w＝j-1
·r·
i2·
t
8.其中
9.w是电池两端耗散的热能；
10.j是常数；
11.r为内电阻；
12.i是电流；并且
13.t是时间。
14.因此，通过较高电流进行充电的速度越快，电池中产生的热量就越高。
15.如果电池的初始温度因使用或因高环境温度而已经很高，则充电期间或充电之后产生的电池温度可能超过安全阈值。如果电池超过阈值温度，则充电必须减慢或者甚至停止，直到温度降至阈值以下。此外，在较高温度下对电池充电可具有降低电池使用寿命的后果。
16.因此，冷却快速充电电池或在快速充电前预冷却电池是有利的。按常规，已经将冷却系统添加到ev中，该冷却系统在需要时可以冷却ev的电池。然而，具有足够电量以在dc快速充电期间冷却ev的电池的冷却系统的成本可能超过合理定价的冷却系统。因此，由于成本限制，许多(如果不是大部分)ev包括具有不足电量以在dc快速充电期间冷却ev的电池的冷却系统。
17.在一些常规系统中，将电池保持在高温阈值以下所需的冷却容量可能大于所选系
统的安装冷却容量。在一些此类情况下，可能存在可能不允许在快速充电期间对电池充分冷却的一些情况。


技术实现要素：

18.公开的实施例包括用于在充电前预冷却电动车辆电池的系统、具有用于在充电前预冷却电动车辆电池的系统的电动车辆，以及用于在充电前预冷却电动车辆电池的方法。
19.在例示性实施例中，提供了一种用于在充电前预冷却至少一个电动车辆电池的系统。定位传感器被配置成感测电动车辆的位置，并且还被配置成生成指示电动车辆的位置的信号。电动车辆电池冷却系统被配置成向电动车辆的电池提供冷却。控制器可电耦合以从所述定位传感器接收指示电动车辆的位置的信号。所述控制器被配置成确定所述电动车辆到达用于对电动车辆的电池充电的充电站的位置所需的电池能量。所述电池能量基于所述电动车辆的位置和所述电池中剩余的电能的量。所述控制器还被配置成基于所述电池中剩余的电能的量和所述电动车辆到达所述充电站的位置所需的电池能量发起对所述电池的冷却。
20.在另一例示性实施例中，一种电动车辆包括：底盘；设置在所述底盘上的前轴；设置在所述底盘上的后轴；可联接到所述前轴的至少一个电动机；可联接到所述后轴的至少一个电动机；以及可电连接到所述电动机的至少一个电池。所述车辆包括系统，所述系统包括：电池冷却系统，所述电池冷却系统被配置成向所述至少一个电池提供冷却；定位传感器，所述定位传感器被配置成感测所述电动车辆的位置，并且还被配置成生成指示所述电动车辆的位置的信号；以及控制器，所述控制器可电耦合以从所述定位传感器接收指示所述电动车辆的位置的信号。所述控制器被配置成确定所述电动车辆到达用于对电动车辆的电池充电的充电站的位置所需的电池能量。所述电池能量基于所述电动车辆的位置和所述电池中剩余的电能的量。所述控制器还被配置成基于所述电池中剩余的电能的量和所述电动车辆到达所述充电站的位置所需的电池能量发起对所述电池的冷却。
21.在另一例示性实施例中，提供了一种用于在充电前预冷却至少一个电动车辆电池的方法。响应于确定将在所选时间段内对电池充电，确定用于对电动车辆的电池充电的充电站的位置。基于所述电动车辆的位置和所述电池中剩余的电能的量，确定所述电动车辆到达所述充电站的位置所需的电池能量。基于所述电池中剩余的电能的量和所述电动车辆到达所述充电站的位置所需的电池能量，发起对所述电池的冷却。
22.前述发明内容仅为例示性的，并且不旨在以任何方式进行限制。除了上文所描述的例示性方面、实施例和特征之外，通过参考附图和以下具体实施方式，另外的方面、实施例和特征将变得显而易见。
附图说明
23.在附图的参考图中示出了例示性实施例。旨在将本文公开的实施例和附图视为例示性而非限制性的。
24.图1是用于在充电前预冷却至少一个电动车辆电池的例示性系统的框图。
25.图2是具有图1的系统的例示性电动车辆的部分示意图形式的框图。
26.图3是描绘了未预冷却电动车辆的电池和预冷却电动车辆的电池的温度与时间的
例示性曲线图。
27.图4a是用于在充电前预冷却至少一个电动车辆电池的例示性方法的流程图。
28.图4b-4g是图4a的方法的细节的流程图。
29.各个附图中的相似附图标记指示相似元件。
具体实施方式
30.在以下详细描述中，参考构成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另有说明，否则类似符号通常标识类似部件。具体实施方式、附图和权利要求书中描述的例示性实施例并不意味着是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其它实施例且可以作出其它改变。
31.公开的实施例包括电动车辆、用于在充电之前预冷却电动车辆电池的方法，以及用于在充电之前预冷却电动车辆电池的系统。各种实施例可以帮助争取使ev电池在充电期间保持充分冷却，以帮助ev电池接受最大化的充电电流，从而有助于使充电时间最小化。各种实施例可以有助于试图避免可能不允许在快速充电期间对电池充分冷却的情况。
32.考虑到通过概述并参考图1，在各种实施例中，提供了用于在充电之前预冷却电动车辆(未示出)的至少一个电池110的例示性系统100。定位传感器120被配置成感测电动车辆的位置，并且还被配置成生成指示电动车辆的位置的信号125。电动车辆电池冷却系统150被配置成向电动车辆的电池110提供冷却。控制器140可电耦合以从定位传感器120接收信号125。控制器140被配置成确定电动车辆到达用于对电池110充电的电动车辆充电站160(例如但不限于直流快速充电站)的位置所需的电池能量。电池能量基于电动车辆的位置和电池110中剩余的电能的量。控制器140还被配置成基于电池110中剩余的电能的量和电动车辆到达充电站160的位置所需的电池能量来发起对电池110的冷却。
33.现在已经给出了概述，将通过仅以说明而非限制的方式给出的非限制性实例来解释例示性细节。
34.在各种实施例中，定位传感器120可包括但不限于全球定位系统(gps)装置。然而，应了解，定位传感器120可包括特定应用所需的任何合适的定位传感器，例如但不限于惯性导航系统等。此外，还可应用航位推算导航系统，该系统在与云或gps卫星的连接丢失的情况下使用转向方向、速度和距离。
35.在各种实施例中，控制器140可以是各种合适的控制器中的任一个，包括但不限于各种基于微处理器的控制器、asic等中的任一个。在一些实施例中，控制器140可以作为车辆的信息娱乐系统170的一部分提供。在一些其它实施例中，控制器140可以与车辆的信息娱乐系统170分离。
36.在各种实施例中，控制器140被配置成接收信号135，该信号指示确定将对电池110充电以及电动车辆将前往充电站160。例如，在一些实施例中，可以例如在信息娱乐系统170(其又电连接到控制器140)中设置用户界面175。在此类实施例中，用户可以确定将对电池110充电，并且可以经由用户界面170做出适当的选择。此外，用户可以确定电动车辆将进入充电站，并且可以选择充电要使用的特定充电站。在此类情况下，信号135由信息娱乐系统170响应于用户界面170的用户输入而生成，并且由控制器140接收。根据例示性实施例，车辆上的任何控制模块可以被配置成确定或容纳车辆和/或充电站的位置。云计算可以允许
在车辆的外部进行此计算和存储，前提是车辆具有与云服务的通信连接。
37.在一些其它实施例中，车辆可以是具有完全或部分自动驾驶能力的自动驾驶车辆。在此类实施例中，自动驾驶车辆的自动化系统确定对电池110充电并将信号135提供至控制器140。
38.如上所述，在各种实施例中，控制器140被配置成进行各种确定。例如并且如上所述，控制器140被配置成确定电动车辆到达充电站160的位置所需的电池能量。在此类实施例中，电池能量基于电动车辆的位置和电池110中剩余的电能的量。
39.在一些例示性实施例中，电动车辆到达充电站160的位置所需的电池能量还可以基于确定电动车辆距充电站160的位置的距离和电动车辆的预定速度。只要已知车辆的位置以及车辆需要到达下一个充电站的位置，就可以确定将车辆移动到充电位置所需的能量的量的非常好的估计。可以将此能量的量与电池中剩余的能量进行比较，以确定可以采取哪些动作来预冷却电池。如果有足够的能量进行预冷却，则可以实行预冷却。如果能量不足，则将不发起对电池的预冷却。
40.除了速度之外，还有许多因素可以包括在计算将车辆从其当前位置移动到充电位置所需的能量的量中。另外的考虑因素可以是但不限于位置之间的高程变化、预测气候控制负荷等。由于通过范围认证过程已知每单位距离的“正常”能量消耗是多少(比方说例如，wh/mile)，因此将该消耗乘以行进的距离将产生车辆到达充电目的地将消耗的能量的量。针对附加条件修改该数值将使计算更加准确。
41.此外，在各种实施例中，电动车辆到达充电站的位置所需的电池能量还可以基于确定电动车辆的至少一个部件正使用的能量，所述至少一个部件是例如电动车辆的动力系统、电动车辆的12vdc系统，和/或电动车辆的内部气候控制能量。在此类实施例中，可以针对这些因素中的任何一个或多个确定电池充电消耗率，并且可将电池充电消耗率作为因素纳入上文论述的确定电动车辆到达充电站160的位置所需的电池能量中。可以将许多额外考虑因素增加到计算中，以使预测的能量消耗更准确或更适合这种情况。例如，如果确定将车辆从当前位置移动到充电位置需要比“正常”明显更多的时间，则可以增加交通信息。时间不会极大地影响动力系统能量消耗，但使用气候控制系统来帮助确定可用于预冷却的电池能量可能是有利的。
42.在各种实施例中，可以基于包括电池110的温度的至少一个因素来确定用于冷却电池110的电池电量。可以将许多因素增加到计算中，以确定预测将车辆从已知位置移动到充电位置所需的能量的量所需的能量的预测量，并且如果该所需的能量足够低以允许进行预测性电池冷却，使得产生的充电时间将被最小化，因为可以最大化电池的电量，并可以在更长的时间内最大化，使得每单位时间有更多的能量增加到电池中，从而使驾驶员能够更快地返回到道路上。
43.如上文所论述的，在各种实施例中，控制器140被配置成基于电池110中剩余的电能的量和电动车辆到达充电站160的位置所需的电池能量来发起对电池110的冷却。在一些实施例中，控制器140还可以被配置成使电池110冷却到阈值温度。
44.根据例示性实施例，一旦确定车辆正前往充电站，并且特别是如果已知充电站处的可用充电功率，则可以记录当前电池温度。可以基于当前电池温度以及预期和可能的充电功率进行第二计算，从而得到电池的预测所得温度。如果所得电池温度高于最高温度，例
如50c，则开始进行预测性冷却。冷却强度随预测所得温度减去当前电池温度而变。通常，预测冷却功率等于预测所得温度(又随预测充电功率而变)减去初始温度(当前电池温度)的差。温度变化越大，所需的冷却功率越高。一旦(操作者或车辆的自动化系统)已经确定应对电池110充电，操作者或车辆的自动化系统就搜索充电站，例如直流快速充电站。在已找到合适的充电站之后，控制器140计算电池冷却系统150应何时开始预冷却电池110。
45.在各种实施例中，控制器140还被配置成基于电池110中剩余的电能的量和电动车辆到达充电站160的位置所需的电池能量来发起对电池110的冷却。在已确定电动车辆将到达充电站160的时间之后，在各种实施例中，控制器140确定在电动车辆到达充电站160之后，电池110中应剩余的电能量。在各种实施例中，控制器140可确定在电动车辆行进到充电站160时，使用此类剩余电量的一部分以使用电池冷却系统150预冷却电池110。确定有多少剩余电能可以使用可以基于多个因素，包括但不限于：电动车辆距充电站160的位置的距离，电动车辆的预定速度，确定车辆的一个或多个部件(例如但不限于：电动车辆的动力系统、电动车辆的12vdc系统，和/或车辆的内部气候控制)正使用的电能，以及预定的安全因素以保留一些电能用于紧急情况。
46.在已经确定可以用于预冷却电池110的电能的量以及电池冷却系统150的功耗率之后，由控制器140确定在到充电站160的途中何时开启电池冷却系统150。当到开启电池冷却系统150的时间时，控制器140自动开启电池冷却系统150，除非开启电池冷却系统150已被操作者或电动车辆的另一电子控制系统超控。
47.在各种实施例中，电池冷却系统150适当地包括散热器、风扇、冷却剂软管、制冷剂管、温度传感器、电动ac制冷剂压缩机、膨胀阀、蒸发器和/或制冷剂与冷却剂热交换器等，其全部被设计成冷却循环通过电池的冷却剂以实现电池冷却。这些相同部件也可用于实现电池加热。
48.因此，应了解，在各种实施例中，在对电池110充电之前使用电池110的能量来冷却电池110可有助于提供改善的充电环境。还应了解，为了有助于确保范围不是问题，仅使用在计算电动车辆已到达充电站160之后可用的电能来预冷却电池110。
49.应当理解，通过降低电池温度超过热阈值的可能性(由此导致充电速率降低)来优化充电时间的尝试可能导致随后的充电时间增加。应注意，用于预冷却电池110的能量使用率应为充电速率的约4％—这意味着即使充电时间可以增加以补偿用于预冷却电池的能量，但典型数字是与计划的150kw充电速率相比，需要使用约6-8kw来预冷却电池110。因此，例如，每分钟的预冷却可以产生约2.4秒左右的充电时间。
50.另外参考图2，在各种实施例中，电动车辆200包括：底盘210、设置在底盘210上的前轴220、设置在底盘210上的后轴230、可联接到前轴220的至少一个电动机240、可联接到后轴230的至少一个电动机250，以及可电连接到电动机240、250的至少一个电池110。在各种实施例中，电动车辆200包括图1的系统100，所述系统包括电池冷却系统150，该电池冷却系统被配置成向至少一个电池110提供冷却。定位传感器120被配置成感测电动车辆200的位置，并且还被配置成生成指示电动车辆200的位置的信号125。控制器140可电耦合以从定位传感器120接收信号125。控制器140被配置成确定电动车辆200到达用于对电动车辆200的电池110充电的充电站的位置所需的电池能量。电池能量基于电动车辆200的位置和电池110中剩余的电能的量。控制器140还被配置成基于电池110中剩余的电能的量和电动车辆
200到达充电站的位置所需的电池能量来发起对电池110的冷却。
51.已在上文详细解释了系统100。因此，应了解，对系统100的构造或操作的进一步描述对于理解所公开的主题是不必要的。
52.在各种实施例中，应了解，电动车辆200代表任何类型的电动车辆或插入式电动车辆，包括但不限于电动和混合型汽车、卡车、面包车、运动型多功能车辆(suv)、公共汽车、火车、船舶(表面型和潜水型)、飞机等。
53.现在参考图3，曲线图300绘制了未预冷却电动车辆的电池和预冷却电动车辆的电池的温度与时间。未预冷却的电池的充电沿着分段310进行。预冷却的电池的预冷却在时间t1时开始并沿着分段320进行。充电在时间t2开始并沿着分段330进行。如由分段320可见，当电池在不充电的情况下进行预冷却时，电池的温度降低。在时间t2，未预冷却的电池的温度升高，预冷却的电池的温度升高。如图3中可见，应了解，通过使用公开的系统和方法，预冷却的电池的温度在整个充电过程中可以保持低于未预冷却的电池的温度。
54.现在参考图4a，用于在充电前预冷却至少一个电动车辆电池的例示性方法400在框405处开始。在框410处，响应于确定电池将在所选时间段内充电，确定用于对电动车辆的电池充电的充电站的位置。在框420处，基于电动车辆的位置和电池中剩余的电能的量，确定电动车辆到达充电站的位置所需的电池能量。在框430处，基于电池中剩余的电能的量和电动车辆到达充电站的位置所需的电池能量，发起对电池的冷却。方法400在框435处停止。
55.现在参考图4b，在各种实施例中，可以在框440处接收指示确定将对电池充电和电动车辆将前往充电站的输入。
56.现在参考图4c，在各种实施例中，在框420处基于电动车辆的位置和电池中剩余的电能的量确定电动车辆到达充电站的位置所需的电池能量可包括：在框450处基于电动车辆距充电站的位置的距离和电动车辆的预定速度来确定车辆到达充电站的位置所需的电池能量。
57.现在参考图4d，在各种实施例中，方法400还可以包括：在框460处基于对电动车辆的至少一个部件所需的能量的确定来确定电动车辆到达充电站的位置所需的电池能量，所述至少一个部件选自电动车辆的动力系统、电动车辆的12vdc系统和电动车辆的内部气候控制能量。
58.现在参考图4e，在各种实施例中，方法400还可以包括在框470处至少部分地基于电池的温度来确定用于冷却电池的电池电量。
59.现在参考图4f，在各种实施例中，方法400还可以包括在框480处将电池冷却到阈值温度。
60.现在参考图4g，在各种实施例中，方法400还可以包括在框490处冷却电池以利用可用电池能量与到达充电站的位置所需的电池能量之间的差。
61.应当理解的是，如上文所解释的，以各种例示性和非限制方式，电池可以在充电过程(例如但不限于快速充电过程)之前预冷却。
62.在一些情况下，一个或多个部件在本文中可以被称为“配置成”、“由
……
配置”、“可配置成”、“可操作/操作以”、“适于/可适配”、“能够”、“可符合/符合”等。所属领域的技术人员将认识到，除非上下文另外要求，否则此类术语(例如，“被配置成”)通常涵盖活动状态部件和/或非活动状态部件和/或待机状态部件。
63.虽然已经示出和描述了本文描述的本发明主题的特定方面，但对于所属领域的技术人员将显而易见的是，基于本文的教示，可以在不脱离本文所述主题及其更广泛方面的情况下作出改变和修改，因此，所附权利要求书将在其范围内涵盖在本文所述主题的真实精神和范围内的所有此类改变和修改。所属领域的技术人员将理解，通常，本文中且尤其是所附权利要求(例如，所附权利要求的主体)中使用的术语通常意图为“开放”术语(例如，术语“包括(including)”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包括(includes)”应解释为“包括但不限于”等)。所属领域的技术人员将进一步理解，如果意图为特定数量的引导式权利要求枚举项，则此类意图将在权利要求中明确地叙述，在不存在此类叙述的情况下则不存在此类意图。例如，作为理解的辅助，所附权利要求可以含有引导性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引导权利要求枚举项。然而，使用此类短语不应被解释为暗示由不定冠词“一”(“a”或“an”)引导权利要求枚举项将包含此类引导式权利要求枚举项的任何特定权利要求限制为仅包含一个此类枚举项的权利要求，即使在同一权利要求包括引导性短语“一个或多个”或“至少一个”以及诸如“一”的不定冠词时(例如，“一”通常应解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)；对于用于引导权利要求枚举项的定冠词的用法，适用同样的情况。另外，即使明确地叙述了具体数目的引导式权利要求枚举项，所属领域的技术人员将认识到，此类叙述通常应被解释为意指至少所叙述的数目(例如，在没有其它修饰语的情况下，“两个枚举项”的简要叙述通常意指至少两个枚举项，或两个或更多个枚举项)。此外，在使用类似于“a、b和c等中的至少一个”的惯用法的那些情况下，通常，这种构造旨在用于本领域的技术人员将理解惯用法的意义上(例如，“具有a、b和c中的至少一个的系统”将包括但不限于具有仅a、仅b、仅c、a和b、a和c、b和c，和/或a、b和c等的系统)。所属领域的技术人员将进一步理解，除非上下文另有指示，否则无论在说明书、权利要求或附图中，通常给出两个或更多个替代术语的选言词语和/或短语应被理解为涵盖包括术语之一、术语中的任一个或两个术语的可能性。例如，短语“a或b”通常应理解为包括“a”或“b”或“a和b”的可能性。
64.关于所附权利要求书，所属领域的技术人员将理解，其中叙述的操作通常可以任何次序执行。此外，尽管以一个或多个序列呈现各种操作流，但应理解，各种操作可以按除图示的那些顺序之外的其它顺序执行，或可以同时执行。此类替代顺序的示例可以包括重叠、交错、中断、重新排序、递增、预备、补充、同时、反向或其它变体顺序，除非上下文另有说明。此外，除非上下文另有说明，否则诸如“响应于”、“与......有关”或其它过去时态形容词的术语通常并不意图排除此类变体。
65.虽然已根据例示性实施例描述了所公开的主题，但所属领域的技术人员将理解，在不脱离如权利要求书中所阐述的所要求主题的范围的情况下，可以对其作出各种修改。