用于车辆的热管理系统的制作方法

用于车辆的热管理系统


背景技术：

1.诸如蓄电池电动车辆(bev)、插电式混合电动车辆(phev)和强劲混合电动车辆(shev)的车辆包含牵引蓄电池组件以充当所述车辆的能源。所述牵引蓄电池组件包括用以帮助管理车辆性能和操作的部件和系统。所述牵引蓄电池组件还包括高电压部件。然而，被设计成部分或完全电气驱动的车辆可能无法从内燃机获得足够余热来提供座舱加热，因此需要额外热系统功能。
2.期望提供一种如下热管理系统：其可靠且高效地控制各种车辆部件和/或子系统的温度以提供舒适用户操作体验，以允许最佳车辆性能并提供可靠且耐用车辆。


技术实现要素：

3.在一些方面中，混合或电动车辆配备有热管理系统，所述热管理系统控制车辆座舱以及一个或多个车辆部件和/或子系统（诸如高电压牵引蓄电池、蓄电池管理系统、动力系统、车辆控制器和功率电子器件等等）的温度。
4.在一些方面中，一种用于车辆的液体和制冷剂热管理系统被配置成在环境空气、一个或多个动力传动系、蓄电池与座舱空气之间传递热。所述热管理系统可以包括冷却剂子系统和制冷剂子系统。冷却剂子系统热管理功能和配置包括：
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用以调整动力传动系冷却剂回路温度的比例散热器旁路
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用以将热从动力传动系传递到其他部件的比例阀模式
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通过牵引蓄电池上游的热交换器排热
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通过作为座舱hvac系统的一部分的热交换器排热
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通过通常称为正温度系数加热器(ptc)的电阻加热器加热
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通过液冷式冷凝器(lcc)加热
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用以调整座舱与蓄电池冷却剂回路之间的热交换的比例阀模式
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座舱和蓄电池冷却剂回路针对质量守恒/流量平衡的被动连接。
5.lcc（座舱冷却剂回路中的热交换器）和ptc（座舱冷却剂回路中的电阻加热器）串联允许两个部件同时向所述回路贡献热。
6.冷却剂子系统采用一个或多个比例阀来选择性地组合为车辆动力传动系提供加热和/或冷却的车辆动力传动系冷却剂回路、为车辆牵引蓄电池提供加热和/或冷却的蓄电池冷却剂回路和为车辆座舱提供加热和/或冷却的座舱冷却剂回路。比例阀与lcc和ptc组合使用允许系统同时将热带到座舱和蓄电池回路。
7.·
制冷剂子系统热管理功能和配置包括：
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通过液冷式冷凝器(lcc)排热
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根据环境条件通过热交换器（“前部hx”）排热或加热
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通过连接到蓄电池冷却剂回路的热交换器加热
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通过作为用于座舱空气调节的座舱hvac系统的一部分的热交换器（“蒸发”）去除热。
8.在所述热管理系统中，座舱、蓄电池和动力传动系冷却剂回路之间的连接使用比例阀进行。在热管理系统中使用比例阀是有利的，因为比例阀以与输入变化相同的比率提供输出压力或流量的变化，例如如果输入流率加倍，则输出流率也将加倍。另外，到比例阀的输入可以连接到所述阀的一个或多个输出，并且多个输入可以组合成单个输出。
9.在一些实施例中，所述热管理系统可以包括带5个端口的冷却剂比例阀(cpv)（5-port cpv）和带3个端口的cpv(3-port cpv)、冷却剂三通接头和多个制冷剂接口，其使得能够实现许多可能操作模式。虽然示出实例性模式以图示功能范围，但是所示模式是说明性的、而非穷尽列举。
10.在一些实施例中，所述带5个端口的cpv和带3个端口的cpv可以组合成单个更高功能阀，例如带8个端口的cpv。
11.在一些实施例中，提供集成模块，其中用于控制不同车辆系统中的冷却剂和/或制冷剂流量的元件的子集可以并入到在本文中称为“柔性热单元”(ftu)的单个集成设备中。ftu允许从单个设备对数个子系统的热管理，从而降低部件封装要求、降低成本并增加车辆效率。由于ftu减小封装尺寸并降低成本，因此可以添加新功能和部件，其以对于注重节省成本的汽车市场可行的方式增加功能和系统性能。
附图说明
12.图1是包括热管理系统的电动车辆的示意图。
13.图2a是电动车辆的热管理系统的示意图，其中使用虚线来包围可以并入到ftu中的系统元件的子集。
14.图2b是图2a的带三个端口的冷却剂比例阀的放大变型。
15.图2c是图2a的带五个端口的冷却剂比例阀的放大变型。
16.图3是包括ftu的热管理系统的替代实施例的示意图。
17.图4是定义热管理系统的示例性操作模式的表格。
18.图5是热管理系统的示例性操作模式的示意图。
19.图6是热管理系统的另一示例性操作模式的示意图。
20.图7是热管理系统的另一示例性操作模式的示意图。
21.图8是热管理系统的另一示例性操作模式的示意图。
22.图9是热管理系统的另一示例性操作模式的示意图。
23.图10是热管理系统的另一示例性操作模式的示意图。
具体实施方式
24.参考图1，电动车辆1包括热管理系统12。电动车辆1可以是蓄电池电动（即，全电动）车辆(bev)、插电式混合电动车辆(phev)或混合电动车辆(hev)。照此，电动车辆1包括至少一个用于推进车辆的电动牵引马达3。例如，如图1中所示，电动牵引马达3可以直接或间接地机械耦接以旋转车辆1的一个或多个车轮4（仅示出一个车轮4）。在一些构造中，电动车辆1可以包括内燃机。然而，在部分或全电动驱动模式下，来自内燃机的驱动功率要求减少或消除。在其他构造中，电动车辆1不具有可操作用于推进车辆的内燃机。为了给电动牵引马达3供电，牵引蓄电池5包括在车辆1中。牵引蓄电池5可以是高电压蓄电池（例如，大于100
伏），并且在某些情况下，可能需要冷却或加热。牵引马达3、车轮4以及相关联的控制器和功率电子器件（未示出）在本文中称为车辆动力传动系7。另外，车辆1的容纳车辆乘员的座舱6可以设置有气候控制以获得乘员舒适度。
25.参考图2，热管理系统12包括闭环制冷剂子系统20和闭环冷却剂子系统30。制冷剂子系统20在工作流体或“制冷剂”上提供蒸汽-压缩制冷循环。制冷剂子系统20经由冷凝器24促进车辆动力传动系7的热管理，冷凝器24提供到或从周围空间的热传递，并且还与冷却剂子系统30接口连接。冷却剂子系统40采用一个或多个比例阀44、54来选择性地组合经由车辆动力传动系冷却剂回路60的车辆动力传动系热管理、经由蓄电池冷却剂回路50的牵引蓄电池热管理和经由座舱冷却剂回路40的座舱热管理（例如，气候控制）。热管理系统12的操作取决于车辆操作条件、环境条件和（一个或多个）座舱乘员的气候控制要求。现在将详细描述热管理系统12的制冷剂和冷却子系统20、30的特征。
26.制冷剂子系统20包括压缩机21。在一些实施例中，压缩机21可以是电子压缩机。压缩机21将热制冷剂输出到液冷式冷凝器(lcc) 22，液冷式冷凝器(lcc) 22将来自所述制冷剂的一些热传递到座舱冷却剂回路40。lcc 22将稍微冷却的制冷剂输出到第一膨胀阀23。第一膨胀阀23可以是电子膨胀阀(eev)，其可以选择性地在其中从中通过的流体被膨胀（被冷却）的膨胀模式与其中从中通过的流体不改变的全开模式之间改变。除非另有说明，第一eev 23以膨胀模式操作。第一eev 23输出冷制冷剂，所述冷制冷剂被引导至是发动机冷却风扇封装80的一部分的前部热交换器24（即，压缩机）。发动机冷却风扇封装80包括呈堆叠布置的前部热交换器24、驱动热交换器64（即，是动力传动系冷却剂回路60的一部分的散热器）和发动机冷却风扇11，所述堆叠布置通常直接在车辆的前格栅（未示出）后面。前部热交换器24可以将热传递到制冷剂，并且因此经由截止阀(sov) 25和积聚器26将冷制冷剂输出到压缩机21。压缩机21、lcc 22、第一eev 23、前部热交换器24和积聚器26构成主制冷剂回路。
27.根据相应部件和sov 25的配置，可以控制制冷剂子系统20以将至少一些制冷剂重新引导至其他车辆部件。为此目的，制冷剂子系统20包括第一子回路，在所述第一子回路中，来自前部热交换器24的制冷剂在通过蓄电池热交换器51的制冷剂侧之前被引导至第二电子膨胀阀28，在那里，其冷却蓄电池冷却剂回路50的冷却剂，并且然后被引导至积聚器26和压缩机21，因此返回到主制冷剂回路。另外，制冷剂子系统20包括第二子回路，在所述第二子回路中，来自前部热交换器24的制冷剂被引导至电磁恒温膨胀阀(txv) 27。从txv 27离开的经冷却的制冷剂被引导至与座舱冷却剂回路40的座舱热交换器41相关联的蒸发器29。鼓风机可以在蒸发器29和座舱热交换器41两者上方吸入空气并且将空气吸入到座舱中，从而在热座舱热交换器41的情况下带来热空气，或者在相对冷蒸发器29的情况下带来冷空气。离开蒸发器29的制冷剂被引导至积聚器26和压缩机21，因此返回到主制冷剂回路。根据相应部件的配置，制冷剂可以流过第一子回路、而非第二子回路，制冷剂可以流过第二子回路、而非第一子回路，或者制冷剂可以流过第一和第二子回路两者。
28.在制冷剂子系统20中使用的制冷剂是适用于热循环中的物质，其能够经历气体与液体之间的相变以允许冷却。例如，在一些实施例中，在制冷剂子系统20中使用的制冷剂是r1234yf。
29.冷却剂子系统20包括车辆动力传动系冷却剂回路60、蓄电池冷却剂回路50和座舱
冷却剂回路40，这些回路根据操作条件的需要经由比例阀44、54选择性地组合。
30.座舱冷却剂回路40包括驱动冷却剂流体通过冷却剂子系统30的第一泵43。离开第一泵43的冷却剂进入lcc 22的冷却剂侧。热可以传递到lcc 22内的冷却剂，使得离开lcc 22的冷却剂的温度大于离开第一泵43的冷却剂的温度。离开lcc 22的冷却剂被引导至ptc 42，在那里，额外热可以被添加到冷却剂。因此，离开ptc 42的冷却剂的温度大于离开lcc 22的冷却剂的温度。llc 22和ptc 42串联，这允许两个部件同时向座舱冷却剂回路40贡献热。座舱冷却剂回路40包括座舱热交换器41，其与制冷剂冷却的蒸发器29和鼓风机协作以实现车辆座舱6的气候控制。例如，由于流过座舱热交换器41的冷却剂的相对高温度，如果车辆乘员需要，可以增加座舱6内的温度。如先前所论述，离开蒸发器29的制冷剂被引导至积聚器26和压缩机21，因此返回到主制冷剂回路。
31.离开座舱热交换器41的冷却剂被引导至第一流体控制阀的端口。在所图示的实施例中，第一流体控制阀是带三个端口的冷却剂比例阀(cpv) 44（图2b），并且离开座舱热交换器41的冷却剂被引导至带三个端口的cpv 44的第一端口44(1)。第一泵43的入口连接到带三个端口的cpv 44的第二端口44(2)，并且带三个端口的cpv 44的第三端口44(3)连接到蓄电池冷却剂回路50、并且特别是连接到蓄电池热交换器41的冷却剂侧的入口。
32.蓄电池冷却剂回路50包括蓄电池热交换器51。蓄电池热交换器51的制冷剂侧是制冷剂子系统20的第一子回路的一部分。离开蓄电池热交换器的冷却剂被引导至蓄电池52，在那里，其用于冷却蓄电池52的单独电化学电池。离开蓄电池52的冷却剂被引导至第二流体控制阀的端口。在所图示的实施例中，第二流体控制阀是带五个端口的冷却剂比例阀(cpv) 54（图2c），并且离开蓄电池52的冷却剂被引导至带五个端口的cpv 54的第一端口54(1)。蓄电池冷却剂回路50包括第二泵53，第二泵53连接到带五个端口的cpv 54的第二端口54(2)。第二泵53驱动冷却剂流体通过冷却剂子系统30，并且连接到第一泵43的入口。第二泵53还经由旁通管线56连接到带三个端口的cpv 44的第三端口44(3)的出口。
33.车辆动力传动系冷却剂回路60包括第三泵63，从贮存器65对第三泵63进行给料。第三泵63的入口连接到带五个端口的cpv 54的第五端口54(5)。第三泵63的出口连接到车辆功率电子器件62，车辆功率电子器件62可以包括但不限于dc-dc转换器和车载充电器(obc)。离开功率电子器件62的冷却剂被引导至电驱桥（电动轴，e-axle）61。电驱桥61是紧凑模块化单元，其包括为车辆的车桥提供动力的电动牵引马达3、电子器件和变速器。根据系统要求，离开电驱桥61的冷却剂可以经由发动机冷却封装80的驱动热交换器64返回到带5个端口的cpv 54的第四端口54(4)，或者替代地，可以返回到带5个端口的cpv 54的第三端口54(3)，同时绕过驱动热交换器64。
34.在冷却剂子系统30中使用的冷却剂是适用于车辆冷却系统中的物质。例如，在一些实施例中，冷却剂是水、乙二醇或两者的混合物。
35.如图2a中可见，使用制冷剂和冷却剂子系统20、30两者来热调整车辆座舱6、牵引蓄电池52和包括电驱桥61的动力传动系的气候。例如，制冷剂子系统20具有与座舱冷却剂回路40（例如，从制冷剂到座舱的热传递）、蓄电池冷却剂回路50（例如，从冷却剂到制冷剂的热传递）和动力传动系冷却剂回路60（例如，暴露至环境温度的发动机冷却风扇封装80的冷凝器导致到环境温度或从所述环境温度的热传递）的部件接口。
36.参考图3，在一些实施例中，热管理系统112可以包括集成冷却模块，其中用于控制
不同车辆系统（例如，座舱冷却剂回路40、蓄电池冷却剂回路50和动力传动系冷却剂回路60）中的冷却剂流量的元件的子集可以并入到在本文中称为“柔性热单元”(ftu) 90的单个集成设备中。ftu 90中包括的元件取决于特定应用的要求。在所图示的实施例中，例如，ftu 90包括第一、第二和第三泵43、53、63、lcc 22、第一和第二eev 23、28、带三个端口的cpv 44、带五个端口的cpv 54、蓄电池热交换器51和贮存器65。通过将这些元件合并成单个集成设备，元件的封装尺寸要求和制造成本降低。
37.在热管理系统12、112中，带三个端口的cpv 44和带五个端口的cpv 54、冷却剂三通接头和多个制冷剂接口的功能实现许多可能操作模式。图4是概述对应于一些可能操作模式的系统配置的表格。对于包括余热、ptc 42和/或lcc 22的模式，这些热源可以根据系统是否具有足够热而任选地是活动的。例如，如果lcc 22向座舱回路供应足够热，则可能不激活ptc 42。因此，即使在可用模式内，也存在数种可能排列。
38.现在将参考图5-图10描述一些示例性操作模式。示出本文中描述的示例性操作模式以图示功能范围并且所述示例性操作模式并非穷尽列举。
39.参考图5，在一种示例性操作模式中，提供蓄电池和动力传动系冷却。在此模式中，在冷却剂子系统30中，座舱冷却剂回路40以及连接驱动热交换器64和带五个端口的cpv 54的第三端口53(4)的流体管线不活动。座舱冷却剂回路40基本上经由旁通管线56被绕过。另外，在制冷剂子系统20中，第二制冷剂子回路10不活动。
40.参考图6，在另一示例性操作模式中，提供蓄电池、动力传动系和座舱冷却。在此模式中，在冷却剂子系统30中，座舱冷却剂回路40以及连接驱动热交换器64和带五个端口的cpv 54的第三端口53(4)的流体管线不活动。座舱冷却剂回路40基本上经由旁通管线56被绕过。在制冷剂子系统20中，主回路和子回路活动。
41.参考图7，在另一示例性操作模式中，提供使用动力传动系余热的蓄电池加热。在此模式中，在冷却剂子系统30中，座舱冷却剂回路40不活动，而冷却剂流过蓄电池冷却剂回路50和动力传动系冷却剂回路60。特别地，冷却剂经由带五个端口的cpv 54的第一和第五端口54(1)、54(5)从蓄电池冷却剂回路50流到动力传动系冷却剂回路60，并且经由带五个端口的cpv 54的第三和第二端口54(3)、54(2)从动力传动系冷却剂回路60返回到蓄电池冷却剂回路50。另外，在制冷剂子系统20中，主制冷剂回路8以及第一和第二制冷剂子回路9、10不活动。
42.参考图8，在另一示例性操作模式中，提供使用ptc 42和lcc 22的蓄电池和座舱加热。在此模式中，在冷却剂子系统30中，连接驱动热交换器64和带五个端口的cpv 54的第三端口53(4)的流体管线不活动。在此实施例中，带三个端口的cpv阀44保持部分打开，从而准许一些流体在座舱冷却剂回路40与蓄电池冷却剂回路50之间流动。另外，在制冷剂子系统20中，第一和第二制冷剂子回路9、10不活动。
43.参考图9，在另一示例性操作模式中，提供蓄电池和动力传动系冷却以及使用ptc 42和lcc 22的座舱加热。在此模式中，在冷却剂子系统30中，连接驱动热交换器64和带五个端口的cpv 54的第三端口53(4)的流体管线不活动。另外，在制冷剂子系统20中，第一和第二制冷剂子回路9、10不活动。
44.参考图10，在另一示例性操作模式中，提供使用动力传动系余热、ptc 42和lcc 22的蓄电池和座舱加热。在此模式中，在冷却剂子系统30中，连接驱动热交换器64和带五个端
口的cpv 54的第三端口53(4)的流体管线不活动。另外，在制冷剂子系统20中，第一和第二制冷剂子回路9、10不活动。在此模式中，对带3个端口的和带5个端口的cpv 44、54的比例控制实现座舱冷却剂回路40与蓄电池冷却剂回路50之间的温度控制。
45.上文相当详细描述热管理系统的选择性说明性实施例。应理解的是，本文中仅已经描述被认为是阐明热管理系统所必需的结构。假定所属领域的技术人员已知并理解热管理系统的其他常规结构以及那些附属和辅助部件。此外，虽然上文已经描述了热管理系统的工作实例，但是热管理系统并不限于上述工作实例，而是可以在不背离如在权利要求书中阐述的热管理系统的情况下执行各种设计变更。