具有电池旁路回路的电动化车辆热管理系统的制作方法

1.本公开涉及能够将各种电动化车辆部件保持在期望的操作温度范围内的电动化车辆热管理系统。


背景技术：

2.通常，电动化车辆与常规的机动车辆不同，因为电动化车辆是由一个或多个电池供电的电机选择性地驱动。相比之下，常规的机动车辆完全地依赖内燃发动机来推进车辆。
3.高压牵引电池组通常向电动化车辆的电机和其他电气负载供电。牵引电池组可以包括一组或多组互连的电池单元。电池单元在某些条件期间(包括在充电和放电操作期间)产生热量。可采用电池热管理系统来管理由电池单元产生的热量。


技术实现要素：

4.根据本公开的示例性方面的热管理系统尤其包括牵引电池组和冷却剂子系统，所述冷却剂子系统被配置为使冷却剂循环通过牵引电池组。所述冷却剂子系统包括：空气冷却器回路和电池旁路回路；水增压空气冷却器，其定位在空气冷却器回路内；阀，其被布置成控制冷却剂向牵引电池组或电池旁路回路的流动；以及控制单元，其被配置为基于从水增压空气冷却器向冷却剂的排热量来控制阀的位置。
5.在前述系统的再一个非限制性实施例中，所述牵引电池组包括内部冷却回路，所述内部冷却回路被配置为从阀接收冷却剂。
6.在任一系统的再一个非限制性实施例中，所述冷却剂子系统被配置为使冷却剂循环通过来自电池组或电池旁路回路的电力电子模块。
7.在任一系统的再一个非限制性实施例中，所述冷却剂子系统包括散热器和泵。
8.在任一系统的再一个非限制性实施例中，所述冷却剂子系统包括t形接头，所述t形接头被配置为将冷却剂在被引导到水增压空气冷却器的第一部分和被引导到阀的第二部分之间分开。
9.在任一系统的再一个非限制性实施例中，第一传感器监测冷却剂的温度，并且第二传感器监测牵引电池组的电池单元的温度。
10.在任一系统的再一个非限制性实施例中，所述控制单元被配置为基于来自第一传感器、第二传感器或两者的反馈来控制阀的位置。
11.在任一系统的再一个非限制性实施例中，所述水增压空气冷却器是包括涡轮增压器和内燃发动机的发动机系统的一部分。
12.在任一系统的再一个非限制性实施例中，所述控制单元被配置为当冷却剂的温度高于冷却剂温度上限阈值时，定位用于引导冷却剂通过电池旁路回路的阀。
13.在任一系统的再一个非限制性实施例中，所述控制单元被配置为当冷却剂的温度低于冷却剂温度下限阈值时，定位用于引导冷却剂通过电池旁路回路的阀。
14.在任一系统的再一个非限制性实施例中，所述控制单元被配置为当牵引电池组的
电池单元温度低于较低的电池全电力温度阈值时，定位用于引导冷却剂通过牵引电池组的阀。
15.在任一系统的再一个非限制性实施例中，所述水增压空气冷却器流体连接到冷却剂子系统内的散热器。
16.根据本公开的另一个示例性方面的方法尤其包括基于从水增压空气冷却器到冷却剂中的排热量，允许或阻止冷却剂流到电动化车辆热管理系统内的牵引电池组。
17.在前述方法的再一个非限制性实施例中，当牵引电池组的电池单元温度低于电池单元全电力温度下限阈值时，冷却剂被传送到牵引电池组。
18.在任一前述方法的再一个非限制性实施例中，当冷却剂的温度高于冷却剂温度上限阈值时，冷却剂被传送到电池旁路回路而不是牵引电池组。
19.在任一前述方法的再一个非限制性实施例中，当冷却剂的温度低于冷却剂温度下限阈值时，冷却剂被传送到电池旁路回路而不是牵引电池组。
20.在任一前述方法的再一个非限制性实施例中，所述方法包括当阻止冷却剂流向牵引电池组时，使冷却剂传送通过电池旁路回路并且然后传送到电力电子模块。
21.在任一前述方法的再一个非限制性实施例中，所述水增压空气冷却器流体连接到热管理系统的冷却剂子系统内的散热器。
22.在任一前述方法的再一个非限制性实施例中，所述方法包括用第一传感器监测冷却剂的温度，并且用第二传感器监测牵引电池组的电池单元的温度。
23.在任一前述方法的再一个非限制性实施例中，所述方法包括当冷却剂被阻止流向牵引电池组时，进入电动化车辆的受限操作策略。
24.前述段落、权利要求或以下描述和附图的实施例、示例和替代方案(包括它们的各个方面或相应的单独特征中的任一者)可以独立地或以任何组合采用。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非此类特征是不兼容的。
25.根据以下具体实施方式，本公开的各种特征和优点对于本领域技术人员将变得明显。随附于具体实施方式的附图可如下简要描述。
附图说明
26.图1示意性地示出了电动化车辆的动力传动系统。
27.图2示意性地绘示了用于热管理电动化车辆的部件的热管理系统。
28.图3示意性地绘示了根据本公开实施例的控制电池热管理系统的方法。
29.图4示意性地绘示了根据本公开的另一个实施例的控制电池热管理系统的方法。
30.图5示意性地绘示了根据本公开的又一实施例的控制电池热管理系统的方法。
具体实施方式
31.本公开详述了用于热管理电动化车辆部件的热管理系统。示例性热管理系统可以被配置为引导冷却剂通过电池旁路回路，所述电池旁路回路基于从水增压空气冷却器到冷却剂中的排热量而绕过牵引电池组。在本具体实施方式的以下段落中更详细地讨论了这些和其他特征。
32.图1示意性地示出了用于电动化车辆12的动力传动系统10。尽管被描绘为混合动
力电动车辆(hev)，但应理解，本文描述的概念不限于hev并且可扩展到其他电动化车辆，包括但不限于插电式混合动力电动车辆(phev)、电池电动车辆(bev)、燃料电池车辆等。
33.在一个实施例中，动力传动系统10是采用第一驱动系统和第二驱动系统的动力分流动力传动系统。第一驱动系统包括发动机14和发电机18(即，第一电机)的组合。第二驱动系统至少包括马达22(即，第二电机)、发电机18和电池组24。在该示例中，第二驱动系统被认为是动力传动系统10的电驱动系统。第一驱动系统和第二驱动系统各自能够生成扭矩以驱动电动化车辆12的一组或多组车辆驱动轮28。尽管图1中描绘了动力分配式配置，但本公开扩展到任何混合动力或电动车辆，包括强混合动力、并联式混合动力、串联式混合动力、轻度混合动力或微型混合动力。
34.发动机14(其可以是内燃发动机)和发电机18可以通过动力传递单元30(诸如行星齿轮组)连接。当然，可使用其他类型的动力传递单元(包括其他齿轮组和变速器)将发动机14连接到发电机18。在非限制性实施例中，动力传递单元30是行星齿轮组，所述行星齿轮组包括环形齿轮32、中心齿轮34和齿轮架总成36。
35.发电机18可以由发动机14通过动力传递单元30来驱动，以将动能转换成电能。发电机18可替代地用作马达，以将电能转换为动能，从而向连接到动力传递单元30的轴38输出扭矩。因为发电机18可操作地连接到发动机14，所以发动机14的转速可由发电机18控制。
36.动力传递单元30的环形齿轮32可连接到轴40，所述轴通过第二动力传递单元44连接到车辆驱动轮28。第二动力传递单元44可包括具有多个齿轮46的齿轮组。其他动力传递单元也可能是合适的。齿轮46将扭矩从发动机14传递到差速器48，以最终向车辆驱动轮28提供牵引力。差速器48可包括多个齿轮，所述多个齿轮使得能够将扭矩传递到车辆驱动轮28。在非限制性实施例中，第二动力传递单元44通过差速器48机械地联接到车桥50，以将扭矩分配到车辆驱动轮28。
37.马达22也可用于通过将扭矩输出到轴52来驱动车辆驱动轮28，所述轴也连接到第二动力传递单元44。在非限制性实施例中，马达22和发电机18作为再生制动系统的一部分协作，其中马达22和发电机18都可以用作马达来输出扭矩。例如，马达22和发电机18可各自向电池组24输出电力。
38.电池组24是示例性电动化车辆电池。电池组24可以是高压牵引电池组，其包括多个电池阵列25(即，电池总成或多组电池单元56)，所述多个电池阵列25能够输出电力以操作电动化车辆12的马达22、发电机18和/或其他电气负载，用于提供电力以推进车轮28。其他类型的能量存储装置和/或输出装置也可用于向电动化车辆12供电。
39.电池组24的电池单元56对温度敏感。电池单元56通常必须保持在相对较窄的温度范围内(例如，在20℃和60℃之间)，以便电池组24满足预期的电力需求和/或充电接受性能。因此，本公开详述了用于主动管理电池组24和其他电驱动部件的温度以提高电池组性能的系统和方法。
40.图2示意性地绘示了热管理系统54，所述热管理系统54可以并入到电动化车辆(诸如图1的电动化车辆12)中。例如，电池热管理系统54可以被控制来管理由各种车辆部件产生的热负载，诸如，电动化车辆12的电池组24和电力电子模块58。尽管示意性地示出，但是电力电子模块58可以包括dc-dc转换器、马达控制器(其可以被称为逆变器系统控制器或isc)、带集成起动发电机(bisg)等中的一者或多者。
41.在实施例中，热管理系统54使冷却剂c选择性地传送通过电池组24，以通过从电池单元56移除热量来冷却电池组24，并且使冷却剂c传送通过电力电子模块58，以从电力电子模块58的部件移除热量。例如，冷却剂c可以循环通过电池组24的内部冷却回路60和通过内部冷却回路62，用于在对流热传递过程中从这些部件中移除热量(或在一些情况下增加热量)。内部冷却回路60、62可由电池组24和电机电力电子模块58的集成热交换器建立。
42.热管理系统54包括用于循环冷却剂c的冷却剂c子系统64。冷却剂c子系统64可以循环冷却剂c(诸如与乙二醇混合的水或任何其他合适的冷却剂)以热管理电动化车辆12的各种部件。冷却剂子系统64可以至少包括散热器66、泵68、t形接头70、包括水增压空气冷却器(wcac)74的空气冷却器回路72、阀76和电池旁路回路78。尽管仅示意性地示出，但冷却剂子系统64的各个部件可以通过诸如管、软管、管道等的导管或通道流体地互连。
43.在冷却剂c子系统64的操作期间，热能可以从冷却剂c传递到散热器66内的车辆外部的环境空气。风扇80可以邻近散热器66定位，并且被配置为吸取气流f通过散热器66，用于与冷却剂c进行对流热传递。例如，当两种流体流动穿过/通过散热器66时，气流f与冷却剂c交换热量。然后，冷却的冷却剂c可以以闭环返回到电池组24和/或电力电子模块58。
44.离开散热器66的冷却剂c的一部分可以被传送到脱气过吹瓶75。脱气溢流瓶75将夹带的空气和气体与冷却剂c分开。在实施例中，离开脱气溢流瓶75的冷却剂c与离开散热器66的出口82的冷却剂c的另一个部分重新结合。
45.泵68可以使冷却剂c循环通过冷却剂c子系统64。在实施例中，泵68位于散热器66的出口82和电池组24的入口84之间。然而，泵68可以位于冷却剂子系统64内的其他地方。在另一个实施例中，泵68是电动流体泵。在本公开的范围内，其他类型的流体泵可以用作热管理系统54的一部分。
46.t形接头70被布置成将从散热器66离开的冷却剂c的一部分转移到空气冷却器回路72。进入空气冷却器回路72的冷却剂c可以被传送通过水增压空气冷却器74。水增压空气冷却器74可以是发动机系统的一部分，所述发动机系统被配置为用于将调节后的气流f从涡轮增压器86输送到发动机14，所述发动机14可以是可操作地联接到涡轮增压器86的增压发动机。当气流f被吹过水增压空气冷却器74时，冷却剂c可以接受来自所述气流f的热能，以便冷却气流f。换句话说，来自气流f的热量被排放到水增压空气冷却器74内的冷却剂子系统64的冷却剂c中。
47.离开水增压空气冷却器74的冷却剂c可以返回到散热器66。冷却剂c中的热能随后可以经由散热器66排放到大气中。
48.阀76被配置为控制冷却剂c流入电池组24的内部冷却回路60或电池旁路回路78。阀76可以是多位置电磁阀。然而，在本公开的范围内也设想了其他类型的阀。
49.阀76可以包括第一出口88和第二出口90，所述第一出口88可以打开以将冷却剂c输送到电池组24的入口84，并且所述第二出口90可以打开以将冷却剂c输送到电池旁路回路78中。在实施例中，阀76的默认位置是打开第一出口88以允许冷却剂c流向电池组24，并且关闭第二出口90以防止冷却剂c进入电池旁路回路78。进入电池旁路回路78的冷却剂c绕过电池组24，并且因此不直接热管理电池组24的电池单元。相反，来自电池通路回路78的冷却剂c被直接输送到电力电子模块58。
50.热管理系统54可以另外包括冷却剂温度传感器92(即，第一传感器或一组传感器)
和电池单元温度传感器94(即，与电池组24相关联的第二传感器或传感器组)。冷却剂c温度传感器92适于感测离开散热器66的冷却剂c的温度。在实施例中，冷却剂温度传感器92定位在散热器66的出口82处或附近。然而，在本公开的范围内也设想了其他位置。
51.电池单元温度传感器94被配置为感测电池组24的一个或多个电池单元的温度。电池单元温度传感器94可以是封装在电池组24内部的电池管理系统的一部分。
52.控制单元96可以控制热管理系统54的操作。控制单元96可以是与热管理系统54相关联的独立控制单元，或可以是整个车辆控制单元的一部分，诸如包括动力传动系统控制单元、变速器控制单元、发动机控制单元、电池控制模块等的车辆系统控制器(vsc)。因此，应理解，控制单元96和一个或多个其他控制器可以统称为“控制单元”，其被配置为响应于来自与热管理系统54相关联的各种传感器的信号，诸如通过多个集成算法来控制各种致动器。例如，组成vsc的各种控制器可以使用共用的总线协议(例如，can)来彼此通信。
53.在实施例中，控制单元96用可执行指令编程，用于与热管理系统54的各种部件介接并且操作所述热管理系统54的各种部件，以热管理电池组24和/或电力电子模块58。控制单元96可以包括各种输入端和输出端，用于与热管理系统54的各种部件(包括但不限于电池组24、电力电子模块58、泵68、阀76、冷却剂温度传感器92和电池单元温度传感器94)介接。控制单元96还可以包括处理器98和非暂时性存储器99，用于执行热管理系统54的各种控制策略和模式。
54.控制单元96可以从冷却剂c温度传感器92和电池单元温度传感器94中的每一者接收反馈，用于确定在各种使用情况下，冷却剂c是否应经由阀76被重新引导通过电池旁路回路78。如下文更详细讨论的，引导冷却剂c通过电池旁路回路78的决定可以基于从水增压空气冷却器74到冷却剂c的排热量。例如，在实施例中，当冷却剂c由于从水增压空气冷却器74获取过多热量而太热时，控制单元96可以通过选择性地引导冷却剂c通过电池旁路回路78来控制热管理系统54。在另一个实施例中，控制单元96可以通过选择性地引导冷却剂c通过电池旁路回路78来控制热管理系统54，以便当由于缺乏从水增压空气冷却器74到冷却剂c的排热而使冷却剂c太冷而不能加热电池组24时，防止冷却剂c阻止电池组24升温。在又一实施例中，例如，当电池组24被认为太冷时，诸如在寒冷的环境条件下，控制单元96可以通过选择性地引导冷却剂c通过电池组24来加热电池组24来控制热管理系统54。
55.继续参考图1至图2，图3示意性地绘示了用于控制电动化车辆12的热管理系统54的示例性方法100。例如，方法100可以是一种控制策略，可以在车辆操作期间的任何给定时间点处执行所述控制策略以用于确定冷却剂c的温度是否太热以有效地将电池组24的电池单元56保持在最佳操作温度范围内。例如，由于从水增压空气冷却器74获取过多的热量，冷却剂c可能周期性地变得太热。
56.在实施例中，控制单元96被编程有适于执行示例性方法100或任何其他控制策略的一个或多个算法。在另一个非限制性实施例中，方法100作为可执行指令(例如，软件代码)存储在控制单元96的存储器99中。
57.方法100可在框102处开始。在框104处，控制单元96可以确定由冷却剂温度传感器92感测到的冷却剂温度是否高于冷却剂温度上限阈值。冷却剂温度上限阈值是可以存储在控制单元96的存储器99中的预限定温度值或温度值范围。在实施例中，冷却剂温度上限阈值是约60℃的温度。在本公开中，术语“约”意味着表达的量或范围不需要精确，而是可以是
近似的和/或更大或更小，反映了可接受的公差、转换因子、测量误差等。
58.当在框104处返回“是”标志时，方法100前进到框106。在此步骤处，控制单元96可以控制阀76，以便将冷却剂c重新引导到电池旁路回路78中，并且因此绕过电池组24。因此，过热的冷却剂c被防止跨电池组24的电池单元56形成热梯度，从而避免电池组24的性能下降。
59.在一些发动机工况期间，从水增压空气冷却器74到冷却剂c中的排热可能相对显著。在这些高排热情况下，重新引导冷却剂c通过电池旁路回路78可以帮助减轻排热将电池单元56的温度升高到可能对电池单元56的性能和/或寿命产生负面影响的水平的可能性。
60.方法100可以可选地从框106前进到框108。在此步骤，控制单元96可以命令电动化车辆12进入受限操作策略。作为此类策略的一部分，电动化车辆12的各种辅助特征(例如，辅助动力dc-ac逆变器、排放控制特征、混合再生特征等)可以被暂时禁用，以便保持车辆的主要操作功能。受限操作策略用于支持12v车辆负载，同时防止电池组24上的其他负载可能由于升高的温度而降低电池性能。然后，方法100可在框110处结束。
61.继续参考图1至图2，图4示意性地绘示了用于控制电动化车辆12的热管理系统54的另一个示例性方法200。方法200可以是一种控制策略，可以在车辆操作期间的任何给定时间点处执行所述控制策略以用于确定何时利用从水增压空气冷却器74获取的热量与冷却剂c加热电池组24是合适的。
62.方法200可在框202处开始。在框204处，控制单元96可以确定由电池单元温度传感器94感测到的电池单元温度是否低于电池单元全电力温度下限阈值。电池单元全电力温度下限阈值是可以存储在控制单元96的存储器99中的预限定温度值或温度值范围。在实施例中，电池单元全电力温度下限阈值是约20℃的温度。
63.当在框204返回“是”标志时，方法200可以前进到框206，此时控制单元96可以确定由冷却剂温度传感器92感测到的冷却剂温度是否高于由电池单元温度传感器94感测到的电池单元温度。如果“是”，则在框208处，控制单元96可以控制阀76，以便引导冷却剂c通过电池组24的内部冷却回路60。因此，在热管理系统54的此热管理循环期间准许冷却剂c加热电池单元56。因此，方法200使得热管理系统54能够利用水增压空气冷却器74向冷却剂c中的排热来在特定条件存在时加热电池组24，从而在驱动循环中更早地改善电池性能，并且减轻寒冷环境条件下的电池化学限制。然后，方法200可在框210处结束。
64.继续参考图1至图2，图5示意性地绘示了用于控制电动化车辆12的热管理系统54的又一示例性方法300。方法300是一种控制策略，当冷却剂c的温度在车辆操作期间的任何给定时间点太冷时，可以执行所述控制策略以用于将电池组24的电池单元56保持在最佳操作温度范围内。例如，由于来自水增压空气冷却器74的相对低的排热和/或长时间段的相对低的冷却剂c流量，冷却剂c可能周期性地变得太冷。
65.方法300可在框302处开始。在框304处，控制单元96可以确定由冷却剂温度传感器92感测到的冷却剂温度是否低于冷却剂温度下限阈值。冷却剂温度下限阈值是可以存储在控制单元96的存储器99中的预限定温度值或温度值范围。在实施例中，冷却剂温度下限阈值是约-10℃的温度。替代地或另外，作为框304的一部分，控制单元96可以与泵68通信，以用于确定冷却剂c的流率是否已经在长时间段内是低的。冷却剂c的低温和/或低流率可由从水增压空气冷却器74进入冷却剂c中的低排热、大量冷环境空气通过散热器66等导致。
66.当在框304处返回“是”标志时，方法300前进到框306。这里，控制单元96可以控制阀76，以便将冷却剂c重新引导到电池旁路回路78中，并且因此绕过电池组24。冷却剂c因此被阻止进一步冷却电池组24。换句话说，通过绕过电池组24，防止冷却剂c阻止电池组24升温或保持其最佳操作温度。然后，方法300可在框308处结束。
67.本公开的示例性热管理系统利用电池旁路回路和来自水增压空气冷却器的排热的组合，用于在所有环境条件和车辆工况下实现合适的电池操作温度。所提出的系统和方法避免了与用于减轻冷却剂温度波动的已知冷却器系统相关联的成本。
68.尽管不同的非限制性实施例被示出为具有特定的部件或步骤，但本公开的实施例不限于那些特定组合。可结合来自其他非限制性实施例中的任一个的特征或部件使用来自非限制性实施例中的任一个的一些部件或特征。
69.应理解，相同的附图标记贯穿若干附图标识对应或类似的元件。应理解，尽管在这些示例性实施例中公开并示出了特定的部件布置，但其他布置也可受益于本公开的教导。
70.前述描述应被解释为说明性的而非具有任何限制意义。本领域普通技术人员将理解，在本公开的范围内可出现一些修改。出于这些原因，应研究所附权利要求来确定本公开的真实范围和内容。