用于车辆的模块化热控制系统的制作方法

1.本公开涉及车辆系统和部件的热控制。


背景技术：

2.车辆，包括汽油和柴油动力车辆，以及电动和混合动力车辆，其特征在于电池存储，用于诸如为电动机、电子设备和其他车辆子系统供电的目的。在一些情况下，诸如高性能情况下，管理电池存储系统的热性质可能是一个挑战。例如，在赛车环境中，电池存储和/或其他车辆特征可能产生额外的热量，现有的车辆冷却系统可能难以有效地消散这些热量。因此，期望提供一种能够提供附加热管理能力的设备或系统。


技术实现要素：

3.在一个示例性实施例中，一种用于车辆部件的热控制的模块化系统包括模块化热控制单元，该模块化热控制单元被配置为可移除地安装在车辆中，该模块化热控制单元包括壳体、热交换部件和连接组件，该连接组件被配置为将热交换部件可移除地连接成与车辆的热回路热连通。
4.除了本文所述的一个或多个特征之外，所述系统还包括第一流体管线和第二流体管线，所述第一流体管线和所述第二流体管线被配置为将所述模块化热控制单元与所述热回路的冷却剂管线流体连通地连接。
5.除了本文描述的一个或多个特征之外，连接组件包括联接到第一流体管线和第二流体管线中的至少一个的可拆卸连接器，该可拆卸连接器被构造成将第一流体管线和第二流体管线中的至少一个可移除地连接到冷却剂管线。
6.除了本文描述的一个或多个特征之外，热交换部件包括相变材料(pcm)。
7.除了本文所述的一个或多个特征之外，模块化热控制单元包括腔体和流体导管，该腔体被配置为容纳所述pcm，且该流体导管被配置为将冷却剂从所述热回路引导通过在所述腔体附近的所述模块化热控制单元。
8.除了本文所述的一个或多个特征之外，所述腔体包括至少一个阻挡件，所述至少一个阻挡件被配置成将所述腔体分隔成多个腔室，所述多个腔室将所述pcm保持在其中并允许所述pcm在不同相态之间均匀地转变。
9.除了本文所述的一个或多个特征之外，所述模块化热控制单元被配置成安装在所述车辆的现有隔室中。
10.除了本文所述的一个或多个特征之外，所述车辆部件包括电池组件，并且所述热回路包括热管理组件，所述热管理组件构造成调节所述电池组件的温度。
11.在一个示例性实施例中，车辆部件的热控制方法包括将模块化热控制单元安装在车辆中，该模块化热控制单元包括壳体、热交换部件。安装包括将热交换部件可移除地连接成与车辆的热回路热连通。该方法还包括通过模块化热控制单元控制车辆部件的温度。
12.除了本文所述的一个或多个特征之外，在车辆操作期间，监测车辆部件的温度，并
且基于温度超过或预期超过选定的阈值温度，通过致使模块化热控制单元以从热回路散热来控制温度。
13.除了本文所述的一个或多个特征之外，模块化热控制单元连接到第一流体管线和第二流体管线，第一流体管线和第二流体管线中的至少一个连接到阀，该阀配置为能被致动以使模块化热控制单元与热回路的冷却剂管线流体连通。
14.除了本文描述的一个或多个特征之外，控制包括将阀致动到打开位置，在该打开位置，阀提供与冷却剂管线的流体连通。
15.除了本文所述的一个或多个特征之外，所述阀在所述监测之前被保持在所述打开位置，并持续足以启动所述模块化热控制单元的时间段。
16.除了本文所述的一个或多个特征之外，所述控制包括响应于所述温度超过所述选择的阈值温度而将所述阀致动到打开位置。
17.除了本文描述的一个或多个特征之外，热交换部件包括相变材料(pcm)。
18.除了本文描述的一个或多个特征之外，热交换部件包括相变材料(pcm)，并且该时间段足以允许相变材料冷却和固化。
19.在一个示例性实施例中，车辆系统包括具有计算机可读指令的存储器，以及用于执行计算机可读指令的处理装置，计算机可读指令控制处理装置以执行方法。该方法包括在车辆操作期间监测车辆的部件的温度，该车辆包括安装在其中的模块化热控制单元，该模块化热控制单元包括壳体和热交换部件，该热交换部件经由连接组件可移除地连接到车辆的热回路。该方法还包括：基于温度超过选定阈值，控制模块化热控制单元以从热回路散热。
20.除了本文所述的一个或多个特征之外，模块化热控制单元连接到第一流体管线和第二流体管线，第一流体管线和第二流体管线中的至少一个连接到阀，该阀被配置为被致动以使模块化热控制单元与热回路的冷却剂管线流体连通。
21.除了本文所述的一个或多个特征之外，控制包括响应于温度超过或预期超过选定的阈值温度而将阀致动到打开位置。
22.除了本文描述的一个或多个特征之外，热交换部件包括相变材料(pcm)。
23.当结合附图时，根据以下详细说明书，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
24.其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细说明书中，详细说明书参考附图，其中：
25.图1是根据示例性实施例的包括各种热管理系统和模块化热控制系统的机动车辆的俯视图；
26.图2描绘了根据示例性实施例的安装在车辆中的模块化热控制系统；
27.图3是根据示例性实施例的具有包括相变材料(pcm)的热交换器的模块化冷却或热控制单元的前剖视图；
28.图4a-4c是图3的模块化热控制单元的实施例的侧视图；
29.图5是描绘根据示例性实施例的车辆部件的热控制方法的各方面的流程图；以及
30.图6是车辆电池组件温度的曲线图，示出了使用图2的模块化热控制系统的电池组件的热控制的示例。
具体实施方式
31.以下说明书本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
32.根据一个或多个示例性实施例，提供了用于一个或多个车辆子系统和/或部件的热控制的方法、装置和系统。模块化热控制系统包括模块化热控制单元，该模块化热控制单元被配置成可移除地安装到车辆中并且与一个或多个车辆子系统或部件(诸如电池组件、马达或发动机冷却系统、电子冷却系统和/或加热、通风和空调(hvac)系统)热连通地连接。模块化热控制单元用于增加现有热回路的能力(例如，用于增强车辆性能)。模块化热控制单元包括壳体，该壳体的尺寸和形状设计成安装在选定的车辆位置，例如前行李箱或后行李箱。在实施例中，模块化热控制单元包括相变材料(pcm)。
33.实施例还包括车辆系统或部件(例如，电池组件)的热控制方法，其包括将模块化热控制单元安装在车辆中，经由流体管线和可拆卸连接器将热控制单元连接到车辆的热回路(或任何其他温度控制系统或装置)，以及操作模块化热控制单元以控制车辆部件的温度(例如，通过加热或冷却车辆部件)。
34.方法的实施例包括致动该模块化热控制单元以促进从热管理系统(诸如电池热管理系统)的热回路散热。在一实施例中，该方法包括监测车辆部件或系统的温度，以及响应于温度超过选定阈值而控制模块化热控制单元以从热回路散热。该方法可以包括在车辆操作和/或监测之前启动或调节模块化热控制单元。
35.本文描述的实施例呈现许多优点和技术效果。实施例允许根据需要灵活地向现有车辆热管理系统提供额外的热控制或冷却。模块化热控制系统是紧凑的，并且可以容易地安装在已经可用的车厢中。
36.在诸如赛车和其他高性能情况的情况下，现有的冷却系统可能在它们可以从电池耗散的热量方面受到限制。实施例提供了紧凑的模块化单元，其可以容易地安装以提供额外的散热。
37.例如，由于车辆电池产生的显著低等级的热量，赛道操纵对车辆的热系统提出了重大挑战。现有的解决方案要求通过制冷显著增加排热。这样的解决方案通常增加重量并且可能对封装提出更高要求，并且可能不能将电池维持在规定的极限(例如，60℃)内，导致性能下降(例如，高跑圈时间(high lap time))。本文描述的实施例通过提供紧凑的模块化系统来解决这些挑战，该系统可以在条件需要额外的热管理时选择性地安装。实施例避免了重量和包装的挑战，并且可以防止由于电池温度超过规定限制而导致电池功率的降低。
38.实施例不限于与任何特定车辆一起使用，并且可以适用于各种上下文。例如，实施例可以与汽车、卡车、飞机、建筑设备、农场设备、自动化工厂设备和/或可能需要附加热控制以促进设备或系统的现有热控制能力或特征的任何其他设备或系统一起使用。
39.图1示出了机动车辆10的实施例，其包括至少部分地限定乘客车厢14的车身12。车身12还支撑各种车辆子系统，包括推进组件16，以及用于支持推进组件16和其他车辆部件的功能的其他子系统，诸如制动子系统、悬架系统、转向子系统、燃料喷射子系统、排气子系
统等。
40.车辆可以是内燃机车辆、电动车辆(ev)或混合动力车辆。在一个示例中，车辆10是包括内燃机组件18和电动机组件20的混合动力车辆。
41.车辆10包括电池组件22，电池组件22可以电连接到马达组件20和/或其他部件，例如车辆电子器件。在一实施例中，电池组件22被配置为可再充电能量存储系统(ress)，并且包括高压电池组24和控制单元26。控制单元26包括传感器阵列28和控制器30。控制器30包括诸如处理器、存储器、接口、总线和/或其他合适的部件这样的部件。
42.车辆10还包括一个或多个热管理系统，其限定用于调节(冷却和/或加热)车辆子系统的温度的多个热回路。例如，车辆10的热管理系统包括用于调节发动机组件18、电动机组件20和/或电子器件的温度的冷却组件32。包括hvac单元34，用于调节车厢14中的温度。
43.热管理系统包括ress热管理组件36，其由控制单元26(单独或与ecu38结合)控制，以将ress的温度保持在选定的极限内。可以通过由传感器阵列28监测与ress相关的电压、电流和/或温度值，并且在ress温度接近ress温度上限或下限时对ress进行热调节，从而维持ress温度。
44.车辆10包括用于控制车辆各方面的各种处理装置和/或单元。例如，包括电子控制单元(ecu)38，以控制热管理系统和/或其他车辆子系统的部件的操作。车辆10还包括计算机系统40，计算机系统40包括一个或多个处理装置42和用户界面44。各种处理设备和单元可以经由通信设备或系统(诸如控制器局域网(can)或传输控制协议(tcp)总线)彼此通信。
45.在一实施例中，模块化热控制系统50可安装在车辆10中，以增强现有热管理系统的热控制能力。模块化热控制系统50包括模块化可拆卸热控制单元52，其可以可拆卸地安装(即，可以根据需要安装和移除)在车辆10中的选定位置处。在图1的实施例中，模块化热控制单元52被配置为安装在后行李箱区域中，但不限于此，并且可以安装在任何合适的位置。如本文进一步讨论的，模块化热控制单元52包括其中设置有热交换部件或系统(例如，相变材料)的壳体，以及用于可释放地安装模块化冷却单元并将该单元连接到车辆中的一个或多个热回路的部件。
46.模块化热控制单元52在实施例中被描述为被配置为从热回路散热，并且在这样的实施例中被称为模块化冷却单元52。应注意，实施例以及热控制系统50和模块化热控制单元52不限于冷却，因为热控制系统50可用于经由例如热回路注入热量。例如，相变材料或其他热交换部件可以以加热状态(例如，在高于初始电池温度的温度下)安装并连接到热回路以向其施加热量。例如，在极冷的条件下，热控制系统50可以提供额外的加热能力，以在充电和车辆操作之前预热一个或多个电池。因此，应当理解，本文描述的实施例可以包括代替冷却或在冷却之外额外向部件注入热量或施加热量。
47.图2描绘了安装在车辆54中的模块化热控制系统50的实施例。在该实施例中，模块化热控制单元52安装在前储存空间56(“框架”)中，但不限于此。
48.热控制单元52在安装时经由可拆卸连接器与车辆54的一个或多个热回路流体连通地连接。例如，热控制单元52包括流体管线60和62，其经由相应的快速断开端口64和66连接到ress热管理组件36的现有热回路。应注意，热控制单元52可以连接到用于冷却和/或加热的任何期望的热回路，例如电子或马达冷却单元或hvac回路。
49.在一个示例中，车辆54的热管理系统包括冷却剂回路，该冷却剂回路包括将冷却
剂施加到res 24(热管理单元)的冷却剂管线68。在该示例中，热控制单元52被配置为冷却单元。冷却剂通过冷却剂管线68流到泵70，然后通过包括制冷剂-冷却剂热交换器(未示出)的冷却器74。
50.热管理系统还包括具有制冷剂管线76的制冷剂回路。制冷剂回路包括冷却器74、冷凝器78、蒸发器80和压缩机82。
51.快速连接端口64和66设置成经由三通阀84将流体管线60和62可释放地连接到冷却剂回路。当安装冷却单元52并且阀84被致动到打开位置时，从冷却器74流过冷却剂管线68的一些冷却剂被重定向到流体管线60中并进入冷却单元52中的热交换部件86中。热交换部件86从流过冷却单元52的冷却剂吸收热量并从冷却剂散热。冷却剂通过流体管线62返回到冷却剂管线68。以这种方式，冷却单元52被配置为用于增强热管理系统和/或ress热管理系统的散热能力。
52.热交换部件可以是可以容纳在冷却单元52中并用于从冷却剂吸收热量的任何装置、材料、组件或系统。在一个实施方案中，热交换部件是相变材料(pcm)，其可以是改变相(例如，在液体和固体之间)的各种物质或物质的组合中的任一种。pcms的示例包括水和蜡基材料。其他类型的热交换部件包括散热材料(例如，金属)、其他导热材料、热电冷却器等。
53.模块化热控制系统50可以包括额外部件以促进散热。例如，流体管线60和/或62可以被套筒或其他机构包围，该套筒或其他机构在冷却剂流过流体管线时从冷却剂中移除热量。在一实施例中，冷却管线由套筒88包围，套筒88限定围绕流体管线的环形通道，其中包含相变材料或可以吸收热量的其他物质。
54.尽管仅示出了两个热回路，但是车辆54可以具有任何数量的回路。例如，冷却剂和/或制冷剂可以经由合适的控制阀被引导到其他车辆子系统。
55.图3描绘了热控制单元52的实施例，其包括相变材料。图3是由(由正交轴x、y和z限定的三维空间的)z轴和y轴限定的平面中的前剖视图。热控制单元52被配置为例如冷却单元52。尽管热控制单元52被讨论为用于使用相变材料散热的冷却单元52，但是热控制单元也可以被配置为将热量注入到系统中。
56.冷却单元52包括壳体90，壳体90在一个或多个腔体(例如，本文所讨论的腔体100)和/或腔室(例如，本文所讨论的腔室104)内包含相变材料(pcm)92，诸如水基或蜡基物质(石蜡)。壳体90可以是绝缘的，以防止不期望的热量逸出到车辆中的其他位置。pcm 93可以最初以选定状态(例如，固体或液体，或固体和液体的组合)设置在冷却单元52中。例如，pcm 92可以最初以熔化或液态(或其组合，诸如冰和水的组合)设置在冷却单元52中，并且可以在车辆操作期间随着冷却单元吸收热量而保持液态或变成固体。
57.壳体90包括一个或多个流体导管或通道和，当冷却单元52在使用中时冷却剂流过该一个或多个流体导管或通道，以及pcm 92被容纳在该一个或多个腔体中。pcm 92在使用之前被填充并密封在一个或多个腔体内。在一实施例中，每个腔体中的pcm 92的量使得pcm在处于固相时完全或基本上填充每个腔体。冷却剂通道和腔体被设计成产生对pcm 92的适当热传递，同时使压降、重量和体积最小化。
58.在一实施例中，壳体90包括多个冷却剂通道94，其被配置成使得流过单元52的冷却剂靠近pcm 92，并且可以有效地传递热量。冷却剂通道94与入口96和出口98流体连通，入口96和出口98可以连接到流体管线，例如流体管线60和62。
59.壳体90还包括腔体100，腔体100沿着每个冷却剂通道94延伸并围绕每个冷却剂通道94，并且填充有pcm 92。在一实施例中，腔体100完全填充有pcm 92，或者部分填充，使得如果pcm 92在固化时膨胀，则pcm 92填充每个腔体100的整个空间。
60.在一实施例中，腔体100包括在其中限定各个腔室的一个或多个屏障。例如，腔体100包括限定相应腔室104的多个屏障102，每个腔室104单独地填充有pcm 92。给定腔室104中的pcm 92物理上分离并且不能流到另一腔室。每个屏障102可以是具有高热导率的金属或轻质材料(例如石墨或金属)的薄片或层(也称为翅片)。翅片结构可呈各种配置中的任一种且界定任何数目个腔室。另外，翅片结构经选择以界定具有任何各种容积及几何形状中的腔室。
61.图4a-4c是图3的冷却单元52在由图3所示的参考线4-4限定的平面中的侧剖视图，并且示出了不同翅片配置的示例。图4a示出了水平(即，在x轴的方向上延伸)屏障102将腔体分离成矩形腔室104的示例，并且图4b示出了屏障102限定三角形腔室104的示例。图4c示出了包括水平和垂直(即，在z轴的方向上延伸)屏障102的示例。通常，腔体100和腔室104被设计成促进热传递，限制熔融pcm的移动并允许pcm均匀地返回到固态。
62.应注意，腔体100、冷却剂通道94和腔室104的具体尺寸、形状和配置不限于图3中所示的尺寸、形状和配置，因为可以使用各种设计中的任何一种。例如，腔体100可以不包括翅片或屏障，而是可以包括材料的非均匀混合物。这种混合物的实例包括pcm与金属和石墨的组合。
63.图5示出了操作车辆和一个或多个车辆部件的热控制的方法110的实施例。方法110的各方面(例如，温度监测和阀致动)可以由设置在车辆中的一个或多个处理器(例如，作为ecu或车载计算机)执行。其他方面(例如，安装模块化冷却单元和驾驶)可以由驾驶员或其他操作人员执行。应注意，方法110不限于此，并且可以由任何合适的处理设备或系统或处理设备的组合来执行。
64.方法110包括由框111-119表示的多个步骤或阶段。方法110不限于其中的步骤的数量或顺序，因为由框111-119表示的一些步骤可以以与下面描述的顺序不同的顺序执行，或者可以执行少于所有步骤的步骤。
65.出于说明性目的，在车辆的高性能操作(诸如赛道竞赛)的背景下讨论方法110。该方法不限于此，并且可以在期望附加冷却或热控制的任何上下文或任何操作模式下执行。
66.在框111处，在准备赛道操纵期间，驾驶员将冷却单元52放置在车厢(诸如前行李箱56)中。流体管线60和62经由快速断开端口64和66连接到车辆的电池热回路。
67.在框112处，驾驶员将车辆置于高性能模式(例如，赛道模式)。在框113处，车辆启动电池预调节(例如，至25摄氏度)。
68.在框114处，通过在冷却单元52和热回路之间建立流体连通，冷却单元52和pcm 92可选地在执行赛道操纵(或其他车辆操作)之前被灌注或预调节。例如，三通阀84打开并且允许冷却剂流过冷却单元52，直到达到期望的温度。例如，阀保持在打开位置，直到pcm 92的温度降低到期望的程度。取决于所使用的pcm的类型，pcm 92可以由于预调节而改变相态(例如，液体到固体)或保持在相同的相态(例如，液体)。
69.在框115处，使用车辆电池组件的特性和预期条件来估计阈值温度值。例如，阈值温度是临界温度(例如，60摄氏度)，其基于电池状态、电池负载轨迹、功率消耗等来估计。临
界温度可以是任何选定的温度值或温度范围。例如，临界温度可以是电池高温极限(例如，电池可以安全且有效地操作的最高温度和/或制造商指定的温度极限)或低于高温极限的任何选定温度值或范围。
70.在框116处，当正在执行赛道操纵时，关闭阀84以绕过冷却单元52。在框117处，处理装置(例如，热管理单元、ecu或其他合适的处理单元)监测车辆电池组件的温度。
71.在框118处，处理装置基于对电池组件的一个或多个温度条件进行检测而使阀84被致动或打开(例如，从关闭位置到打开位置，或者在可变阀的情况下移动到多个打开位置中的一个)。温度条件可以是电池组件温度正在接近临界温度、处于临界温度、预期超过临界温度或正在超过临界温度的条件。如果电池组件满足一个或多个温度条件，则阀84被致动或打开，并且pcm 92从冷却剂吸收热量。当电池温度下降到临界温度以下或以其他方式不再满足任何上述条件时，阀84再次关闭。阀84可以响应于一个或多个控制信号(诸如指示各种温度条件或值的一个控制信号或控制信号的组合)而被致动或打开。
72.处理设备可以基于一个或多个测量的温度值和/或一个或多个测量的温度变化率(例如，一个或多个增加率)来认定电池组件温度预期超过临界温度。例如，如果电池组件温度的变化率超过速率阈值，则可以预测电池组件温度在某个未来时间超过临界温度。
73.可以通过从关闭位置切换到打开位置致动该阀84。阀84可以具有两个位置(打开和关闭)，或者可以是可以被致动到各种打开位置的可变阀。例如，可以基于诸如pcm的类型、冷却剂通道尺寸和配置、翅片配置和/或冷却剂压降的考虑来控制可变阀，以调节进入pcm 92的冷却剂流。
74.在框119处，在操纵完成之后，可以从车辆移除冷却单元52。
75.图6示出了在高性能赛车情况下使用模块化热控制系统50的示例，并展示了其热管理能力。在该示例中，车辆使用不同的冷却系统在跑道上经过多圈，并且监测车辆的ress温度。每个系统的温度性能由ress温度作为时间的函数的曲线图130表示。
76.曲线132表示仅使用车辆的基线热管理能力而没有电池降额的ress温度。曲线134表示当ress电池降额以将ress保持在临界温度以下时的温度。曲线136表示当使用模块化热控制系统50时的温度。如图所示，模块化热控制系统能够有效地将ress维持在临界温度以下而不影响性能。
77.虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。