CN110816199B - 车辆热***架构 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于车辆的热能管理***，该热能管理***被配置成将热能供应到车辆的乘客室。热能管理***可以包括三个热流体回路。第一热流体回路可以包括冷却剂泵，该冷却剂泵使冷却剂循环通过至少车辆电池、车辆的变速器油冷却器和制冷机，使得该冷却剂被配置成选择性地从车辆电池、变速器油冷却器和制冷机传递热能。第二热流体回路可以使油循环通过变速器油冷却器。第三热流体回路可以使制冷剂循环通过至少制冷机和至少一个冷凝器，使得该第三热流体回路被配置成将热能传递到该乘客室。

Description

车辆热***架构
引言
本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且不可能构成现有技术。
本公开涉及机动车辆热管理***，更具体地涉及用于控制在机动车辆内的热能源和散热器的运行的***和方法。排放标准、环境问题和操作者对响应性、噪音、振动和声振粗糙度(NVH)的感知以及操作者的舒适性决定了控制机动车辆内的热能的许多方式。传统上，在内燃机(ICE)作为机动车辆的原动机的范围内寻求效率。这些进步通常采取提高燃烧效率(最大化燃烧能量转化为动力)、收集燃烧热能以运行加热/通风/空调(HVAC)功能、收集制动动能以用于电池再充电等形式。收集功能经常在专用的加热、冷却或电路上执行，从而导致一系列相对复杂的电路，其中许多电路的功能几乎彼此完全独立。
然而，尽管ICE已经并将很可能继续变得越来越高效，但是由ICE生成的大量热能，这些大量热能中的很大一部分通常被排放到车辆的周围。也就是说，在ICE驱动的车辆中，由ICE生成多余的热能，并且不能有效或高效地将其包含在机动车辆中。因此，大量的所谓的“高质量”热能经常从机动车辆被排放到大气中。在试图缓解ICE的低效使用，并且降低排放、减少环境影响、以及提高响应性、平稳性、NVH和操作者舒适性时，机动车辆越来越依赖电力以促进启动以及乘客室环境的管理两者。然而，增加如由创新性推进(诸如混合动力***、电池、燃料电池等)所产生的电力的使用，已经显著地减少了配备有这种创新性推进***的车辆所生成的热能的量和质量。
相应地，虽然最初为ICE***设计的热管理的传统***和方法可以应用于创新性推进***，诸如电池电动车辆(BEV)，其主要依靠电池和电动马达-发电机来推进，但是多余的热能比在内燃机***中的热能小得多。因此，虽然热管理的传统***和方法可以在ICE***中运行以便于获得它们的预期目的，但是需要车辆的改进的热管理***和方法，其中ICE的使用被减少和/或被完全消除。因此，需要新的和改进的热管理***和方法，该热管理***和方法有效地收集、存储热能并将热能分配给需要这种能量的车辆***，同时降低硬件成本和复杂性，提高可靠性，并提供改进的安全性和冗余性，以及降低的机动车辆操作者范围焦虑。
发明内容
在至少一些示例方法中，提供了一种车辆，该车辆包括乘客室和被配置为向乘客室供应热能的热能管理***。热能管理***可以包括三个热流体回路。第一热流体回路可以包括冷却剂泵，该冷却剂泵使冷却剂循环通过至少车辆电池、车辆的变速器油冷却器和制冷机，使得冷却剂被配置成选择性地从车辆电池、变速器油冷却器和制冷机传递热能。第二热流体回路可以使油循环通过变速器油冷却器，其中油围绕车辆的驱动单元循环，以经由油从驱动单元传递热能。第三热流体回路可以使制冷剂循环通过至少制冷机和至少一个冷凝器，使得第三热流体回路被配置成将热能传递到乘客室。
在一些示例中，车辆进一步包括车载充电模块和集成电力电子模块中的至少一个，并且第一热流体回路使冷却剂循环通过车载充电模块和集成电力电子模块中的至少一个。在这些示例的至少一些中，第一热流体回路可以被配置成存储来自车载充电模块和集成电力电子模块中的至少一个的热能。在这些示例中的一些示例中，第一热流体回路可以被配置成经由第三热流体回路将所存储的热能的至少一部分供应到乘客室。
在车辆的一些示例中，第一热流体回路被配置成经由第三热流体回路向乘客室供应热能。
在一些方法中，车辆可以仅经由第一、第二和第三热流体回路循环由车辆生成的热能。换句话说，车辆可以利用第一、第二和第三热流体回路专用于主动传递或循环由车辆生成的热能。
一些示例车辆可以包括从电池接收电力的电动马达-发电机，其中电动马达-发电机被配置成向车辆供应推进。在这些示例方法的一些中，车辆可以是电池电动车辆(BEV)、混合动力车辆或燃料电池车辆。
在一些示例车辆中，第一热流体回路是冷却剂回路，第二热流体回路是油回路，并且第三热流体回路是制冷剂回路。
本文中的其他示例是涉及用于包括第一、第二和第三热流体回路的车辆的热能管理***。第一热流体回路可以包括冷却剂泵，该冷却剂泵使冷却剂循环通过至少车辆电池、车辆的变速器油冷却器和制冷机，使得冷却剂被配置成选择性地从车辆电池、变速器油冷却器和制冷机传递热能。第二热流体回路可以被配置成使油循环通过变速器油冷却器，其中油围绕车辆的驱动单元循环，以经由油从驱动单元传递热能。第三热流体回路可以被配置成使制冷剂循环通过至少制冷机和至少一个冷凝器，使得第三热流体回路被配置成将热能传递到乘客室。
在一些示例热能管理***中，第一热流体回路被配置成使冷却剂循环通过车辆的车载充电模块和车辆的集成电力电子模块中的至少一个。在这些示例中的至少一些中，第一热流体回路可以被配置成存储来自车载充电模块和集成电力电子模块中的至少一个的热能。在这些示例中的一些中，第一热流体回路可以被配置成经由第三热流体回路将所存储的热能的至少一部分供应到乘客室。
在热能管理***的一些示例中，第一热流体回路被配置成经由第三热流体回路将热能供应到乘客室。
在至少一些示例中，提供了一种用于车辆的热能管理***，其中该热能管理***包括冷却剂回路、油回路和制冷剂回路。冷却剂回路可以包括冷却剂泵，该冷却剂泵被配置成使冷却剂循环通过至少车辆电池、车辆变速器油冷却器和制冷机，使得冷却剂被配置成选择性地从车辆电池、变速器油冷却器和制冷机传递热能。油回路可以被配置成使油循环通过变速器油冷却器，其中油围绕车辆的驱动单元循环，以经由油从驱动单元传递热能。制冷剂回路可以被配置成使制冷剂循环通过至少制冷机和至少一个冷凝器，使得第三热流体回路被配置成将热能传递到乘客室。
在一些示例中，冷却剂回路被配置成使冷却剂循环通过车辆的车载充电模块和车辆的集成电力电子模块中的至少一个。在这些示例方法的一些方法中，冷却剂回路可以被配置成存储来自车载充电模块和集成电力电子模块中的至少一个的热能。在一些示例中，冷却剂回路被配置成经由制冷剂回路向乘客室供应所存储的热能中的至少一部分。
在热能管理***的一些示例中，冷却剂回路可以被配置成经由制冷剂回路将热能传递到乘客室，以连续地加热乘客室，并且在环境温度等于或低于5摄氏度时，不需要制冷剂回路的冷冻净化循环。
在热能管理***的一些示例中，冷却剂回路被配置为经由制冷剂回路向乘客室供应热能。
附图说明
下文将结合附图描述本发明的一个或多个实施例，其中相同的附图标记表示相同的元素，并且其中：
图1是根据本公开的一方面的用于机动车辆的热管理***的环境视图；
图2是描绘根据本公开的一方面的用于机动车辆的热管理***的***图；
图3是描绘根据本公开的一方面的用于在机动车辆的热管理***内的多个阀的打开状态和关闭状态的第一阀图；
图4是描绘根据本公开的一方面的用于在机动车辆的热管理***内的多个阀的打开状态和关闭状态的第二阀图；以及
图5是描绘根据本公开一个方面的用于控制机动车辆的热管理***的方法的流程图。
具体实施方式
本文的示例性说明涉及一种车辆和热能管理***，该***允许热能的循环和累积以满足车辆的各种需求，诸如车辆的乘客室的加热或冷却，或者车辆部件本身的加热或冷却。示例性说明可以经由相对减少的热流体回路的数量来使热能循环，从而简化热能管理***的运行，并促进存储在其他方面用处不大或“低质量”的热能。将这种“低质量”热能储存在例如车辆的各种散热器中可以允许热能被再利用，而不是从车辆中排放。
参见图1，示出了机动车辆，并且总体上由附图标记10指示。虽然机动车辆10被描绘为汽车，但是应当理解的是，在不脱离本公开的范围或意图的情况下，机动车辆10可以是汽车、卡车、SUV、厢式货车、半挂车、拖拉机、公共汽车、微型赛车或任何其他这种机动车辆10。机动车辆10配备有热管理***12。广义而言，热管理***12运行以选择性地将热能从在热管理***12内的热源传输到在热管理***12中的散热器，或者从热源或散热器传输到在热管理***12内的需要热能的位置。热管理***12包括用于各种机动车辆10子***的多个不同的热流体回路14。不同的热流体回路14中的每一个具有与一个或多个机动车辆10子***相关联的热源和散热器。然而，一些散热器比其他散热器大得多，并且因此能够比其他散热器储存更多的热能。相应地，根据在热管理***12内的各种散热器的热能存储容量，热能可以从不同的热流体回路14中的一个移动到另一个。
如上所述，与先前的方法相比，车辆10可以经由减少热流体回路14的数量来使热能循环或传递。在图1-4展示的示例中，车辆10仅经由三个流体回路14使车辆上生成的热能循环。换句话说，车辆10的热需求，即车辆10部件的加热或冷却以及乘客室的加热或冷却的任何需要，可以仅使用三个热流体回路14来满足。热能可以通过传导、对流或任何其他简便的热传递机制经由热流体回路14传递。
与多个致动器、阀等电子通信的控制器16管理热管理***12的操作，包括多个不同的热流体回路14。控制器16是非通用的电子控制设备，该电子控制设备具有预编程的数字计算机或处理器18、用于储存诸如控制逻辑、指令、查找表等数据的存储器或非暂时性计算机可读介质20、以及多个输入/输出***设备或端口22。处理器18被配置成执行控制逻辑或指令。控制器16可以具有与处理器18通信的附加的处理器或附加的集成电路，诸如用于分析热管理数据的逻辑电路。在一些示例中，控制器16可以更好地描述为多个控制器16，这些控制器中的每一个被设计成在机动车辆10内与特定部件接口并管理它们，并且多个控制器16中的每一个与其他控制器进行电子通信。然而，尽管在一些示例中可以使用一个以上的控制器16，但是为了便于理解，以下描述将集中于仅具有单一控制器16的热管理***12。
现在参见图2并继续参见图1，不同的热流体回路14中的第一个是冷却剂回路24。冷却剂回路24包括冷却剂泵26，该冷却剂泵选择性地通过多个冷却剂导管32泵送冷却剂28。冷却剂导管32与各种冷却剂回路24部件流体连通。在一些方面中，冷却剂回路24部件包括集成电力电子(IPE)模块34。IPE 34是具有可由机动车辆操作者使用的各种辅助设备的电子设备。在一些情况下，IPE 34包括AC/DC转换器(未示出)、高压电源(未示出)、导航***(未示出)、高压充电器(未示出)、加热座椅***(未示出)和/或其他类似装置和特征中的一个或多个。当IPE 34***作时，在IPE 34内的电子设备将电能转换成可由机动车辆操作者使用的各种功能。此外，热能是作为在IPE 34装置内使用电能生成的副产品。冷却剂28将来自IPE 34设备的热能运送到冷却剂回路24中其他地方。
如下文将进一步讨论的，来自IPE 34设备的热能在输出方面可能不显著，并且在这个意义上与诸如内燃发动机的源相比是相对“低质量”的。然而，如下文将进一步讨论的，热能管理***12可以促进这种低质量热能的积聚，从而允许其随后以与使用诸如内燃发动机的“高质量”热能源的先前方法一致的方式部署到乘客室或车辆10中的其他地方。因此，尽管来自车辆10的ICE使用或消除方面减小，热能管理***12仍然可以具有足够的加热输出。
冷却剂回路24进一步包括用于电池38的车载充电模块(OBCM)36。OBCM 36是设计成通过迫使电流通过电池38将能量移动到二次电池或可充电电池38中的电气设备。在一些示例中，单相3.5kW至22kW的OBCM36被安装在机动车辆10的电气***内，并从电网对机动车辆10的电池38进行充电。在其他示例中，机动车辆10的电池38可以用作能源，并且因此，OBCM 36也可以将电能引导至电网，或者引导至机动车辆10内的辅助设备或附属设备。此外，OBCM 36还可以将电能引导至诸如机动车辆10的操作者可以从机动车辆10的IPE 34内的电连接供电的蜂窝电话等的设备。因此，在一些情况下，OBCM 36是双向电池38充电和放电装置。在许多情况下，当电池38被加热到预定的目标温度时，电池38被最有效地充电。在一个方面中，预定目标温度大约为25摄氏度。然而，根据热管理***12部件的部件和热需求，电池38的预定目标温度可以变化。在一个示例中，为了达到目标温度范围，电池38可以经由由OBCM 36供应的电能被电加热。在该示例中，控制器16以计算低效率的方式有效地过驱动OBCM 36或驱动OBCM 36，以便将预定量的电能转换成热能，例如，以升高电池38的温度。在另一示例中，电池38其本身以计算效率低的方式充电。也就是说，电池38被低效率地充电，使得由OBCM 36驱动到电池38中的电能的一部分被转换成热能，该热能然后在电池38被充电的同时储存在电池38的质量块内。在又一示例中，将热能经由由冷却剂回路24运送的冷却剂28从在冷却剂回路24内和外部的其他热源引导至电池38。在一些示例中，冷却剂回路24包括冷却剂加热器30。冷却剂加热器30是向冷却剂28流增加热能的电动加热器，从而有助于使电池38达到最佳充电温度。在一些示例中，一旦电池38已经被充分地充电，并且利用热能被充分充电，电池38的温度由OBCM 36调节。
在一些方面中，机动车辆10制动***37包括再生功能。在具有再生制动***的机动车辆10中，电动机40被用作电动发电机。由电动机40生成的电力由OBCM 36馈送到电池38中。在一些电池电动和混合动力车辆中，能量也被储存在电容器组(未示出)中，或者机械地储存在旋转飞轮(未示出)中。在当控制器16和OBCM 36确定电池38充满电或在其他地方期望附件加热时的情况下，由电动机40生成的电力可以转换成热能并储存在电池38或其他热管理***12部件的质量块中。
现在参见图3和图4，并继续参见图1和图2，为了保持最佳电池38温度，在一些示例中，冷却剂回路24进一步包括电池旁路42。总体而言，电池旁路42可运行以选择性地提供通过电池38的冷却剂28流，或者以在预定的一组条件下旁路电池38。例如，当电池38的温度低于最佳电池38温度时，电池旁路42被设置在关闭位置。在该示例中，冷却剂28流动通过电池38，并从OBCM 36、冷却剂加热器30和其他热管理***12部件向电池38赋予热能。在第二示例中，当电池38的温度高于最佳电池38温度时，电池旁路42被设置在打开位置中。在第二个例子中，冷却剂28流被引导远离电池38。控制器16通过至少第一旁路阀44和第二旁路阀46来管理冷却剂28通过电池旁路42的流动。第一旁路阀44运行以选择性地引导冷却剂28流动经过不同的热流体回路14的第二回路，即围绕设置在驱动单元油回路62中的驱动单元48。驱动单元48提供扭矩以移动机动车辆10，并将在下面更详细地描述。第二旁路阀46运行以选择性地引导冷却剂28围绕不同的热流体回路14中的第三回路流动，即围绕制冷剂回路52的冷却器50流动。根据热管理***12的需要，第一和第二旁路阀44、46可以是可变力螺线管(VFS)或阀、可变放泄螺线管(VBS)或阀、或者二元或模式控制螺线管或阀，仅作为示例。
在图3的示例中，第一旁路阀44是VFS或VBS类型的。因此，第一旁路阀44被配置成在完全关闭状态与打开状态之间沿着连续谱变化。在完全关闭状态下，第一旁路阀44防止入射到第一旁路阀44的入口上的所有冷却剂28流流动通过第一旁路阀44到第一旁路阀44的出口。相反，在完全打开状态下，第一旁路阀44将向第一旁路阀44的出口提供入射到第一旁路阀44的入口上的所有冷却剂28流。第一旁路阀44应该被理解为根据热管理***12的冷却剂28流的需求来变化阀开口。
在图3中，阀图的上半部分描绘了驱动单元48经由热交换设备(诸如变速器油冷却器(TOC)60)从冷却剂28接收热能的情况。阀图的上半部分示出了第一旁路阀44通过换热器54和冷却器50提供可变量的流量，同时还向TOC 60提供冷却剂28。在图3中的阀图的下半部分中，阀图示出了第一旁路阀44将冷却剂28分路远离TOC 60，从而完全旁路与驱动单元油回路62的热交换的情况。然而，第一旁路阀44仍然提供通过换热器54和冷却器50的可变流量。
在图4的示例中，第二旁路阀46是二元或模式控制类型。也就是说，第二旁路阀46是仅具有完全打开和完全关闭状态的二元阀。在完全关闭状态下，第二旁路阀46防止入射在第二旁路阀46的入口上的所有冷却剂28流流动通过第二旁路阀46的出口的第二旁路阀46。相反，在完全打开状态下，第二旁路阀46将向第二旁路阀46的出口提供入射在第二旁路阀46的入口的所有冷却剂28流。第二旁路44应该被理解为根据热管理***12的冷却剂28流的需求在打开或者关闭情况下来运行。在图4的阀图的上半部分中，图4的第二旁路阀46被描绘为处于关闭状态，其中冷却剂28流被提供至冷却器50。在图4的阀图的下半部分中，在打开状态中，第二旁路阀46引导冷却剂28以也旁路冷却器50和电池38，从而形成电池旁路42的一部分。因此，当第二旁路阀46打开时，冷却剂28从第二旁路阀46直接流入通向冷却剂泵26的冷却剂导管32中。
在一些示例中，第一和第二旁路阀44、46选择性地引导冷却剂28的流流过换热器54。换热器54在冷却剂28与到机动车辆10外部的大气之间交换热能。因此，当使用换热器54时，热能从机动车辆10中被排放。在一些示例中，换热器54与风扇56和气流管理设备(诸如可运行以精确地调节换热器54的温度，并因此调节经过换热器54的冷却剂28的温度的快门机构58)结合运行。在一些方面中，快门机构58是置于在机动车辆10的外表面上的孔口(未示出)中的一系列叶片或折板，诸如前部、侧部、下侧或顶侧面向的空气入口(未示出)，或者设置在雾灯壳体(未示出)内的进气口等。快门机构58的叶片或折板移动通过提供至少打开位置和关闭位置的运动范围。在几个方面中，控制器16可以机电地(通过螺线管、马达、致动器等)、液压地、通过空气动力、或上述的任意组合来改变快门机构58的位置。在打开位置中，入射在快门机构58上的气流被允许经过快门机构58并朝向换热器54和/或风扇56。在关闭位置中，入射在快门机构58上的气流被阻止经过换热器54和/或风扇56。虽然快门机构58在本文被描述为具有打开位置和关闭位置，但是应当理解的是，快门机构58也可以***纵进入在完全打开与完全关闭之间的任何位置。因此，控制器16可以精确地操纵快门机构58，以当期望这种气流时向换热器54提供并调节气流，并且当不需要气流时阻止这种气流。在一些示例中，控制器16命令快门机构58在宽范围的驱动循环条件下保持关闭，从而最小化经由换热器54排放到大气的热能。
在另外的示例中，如在图3中所示，第一和第二旁路阀44、46可变地引导冷却剂28流通过电池38和换热器54两者，从而使冷却剂回路24提供具有精确热调节电池38和冷却剂回路24内其他部件温度的能力。
第一旁路阀44选择性地引导冷却剂28流通过电池38和/或通过设置在不同热流体回路14(即驱动单元油回路62)的第二回路中的变速器油冷却器(TOC)60。TOC 60是提供在冷却剂回路24与驱动单元油回路62之间的热能传递的方法的热交换设备。TOC 60包括至少两个彼此物理分离的通路。也就是说，在TOC 60的第一侧上，冷却剂28通路(未示出)运送冷却剂28通过作为冷却剂回路24的一部分的TOC 60。在TOC 60的第二侧上，油通路(未示出)运送油64通过作为驱动单元油回路62的一部分的TOC 60。然而，应当理解的是，尽管实际上TOC 60包括冷却剂回路24的一部和油回路62的一部分两者，但是在TOC 60内在冷却剂28与油64之间没有流体界面，并且因此防止冷却剂28和油64混合。
油泵66通过与驱动单元48流体连通的多个油导管68泵送润滑油64。驱动单元48是将化学能或电能转换成扭矩以驱动机动车辆10的多个机械设备。在几个方面中，机械设备包括发动机70和变速器72。在不脱离本方法的范围或目的的情况下，发动机70可以是内燃发动机(ICE)、电动机40、和/或任何其他类型的原动机。在一些方面中，发动机70结合至少一个电动机40运行，或者可以完全由至少一个电动机替代。发动机70和/或电动机40经由变速器72提供移动机动车辆10的扭矩。在不脱离本方法的范围或目的的情况下，变速器72可以是手动、自动、多离合器或无级变速器，或者任何其他类型的电子、气动和/或液压地控制的汽车变速器72。变速器72机械和/或流体联接至发动机70。驱动单元油回路62使油64在整个变速器72中循环，从而保持变速器72的内部部件得到润滑。在一些方面中，变速器72和发动机70经由油回路62共享油64的供应。而且，在一些示例中，循环油64用于在发动机70启动期间加热或升温变速器72，或者在大量使用期间根据需要冷却变速器72。驱动单元48具有预定的最佳运行温度，在该温度下润滑油64具有期望的粘度和润滑特性。在几个方面中，预定的最佳运行温度大约为70摄氏度。然而，根据驱动单元48的应用和部件以及在驱动单元油回路62中，最佳运行温度可以显著地变化。例如，在具有内燃发动机70的驱动单元48中，循环通过发动机70的最佳油64温度在大约85摄氏度和大约120摄氏度之间。在另一示例中，在具有自动变速器72的驱动单元48中，循环通过自动变速器72的油64的最佳温度可以在约20摄氏度和约110摄氏度之间。在又一示例中，在具有联接至扭矩变换器(未示出)的自动变速器72的驱动单元48中，循环通过扭矩变换器的油64的温度可以在约90摄氏度和约180摄氏度之间。
再次参见图4，并继续参见图1-3，第二旁路阀46选择性地引导冷却剂28流通过电池38和/或通过设置在不同热流体回路14(特别是制冷剂回路52)中的冷却器50。冷却器50是提供在冷却剂回路24与制冷剂回路52之间热能传递的方法的热交换设备。然而，像TOC60一样，冷却器50包括至少两个彼此物理分离的通路。也就是说，在冷却器50的第一侧上，冷却剂28通路(未示出)运送冷却剂28通过作为冷却剂回路24的一部分的冷却器50。在冷却器50的第二侧上，制冷剂通路(未示出)运送制冷剂74通过作为制冷剂回路52的一部分的冷却器50。然而，应当理解的是，尽管实际上冷却器50包括冷却剂回路24的一部和制冷剂回路52的一部分两者，但是在冷却器50内在冷却剂28与制冷剂74之间没有流体界面，并且因此防止冷却剂28和制冷剂74混合。
制冷剂回路52包括多个制冷剂导管76，该制冷剂导管流体地连接多个可运行以热调节包含在机动车辆10内的乘客室(未具体示出)的设备。乘客室可以与生成热量的其他车辆部件热隔离，并且可以经由HVAC***78的一个或多个通风口或其他导管(未具体示出)接收热能流。制冷剂回路52还经由冷却器50将热能运送至冷却剂回路24并且从冷却剂回路24运送热能。制冷剂回路52包括各种操作者舒适***，诸如加热、通风和空调(HVAC)***78。从根本上来说，制冷剂回路52具有加热功能和冷却功能。在制冷剂回路52内，HVAC***78向机动车辆10的乘客室提供加热和/或冷却的空气。换句话说，HVAC***78将热能从制冷剂回路52内的较冷位置传输到较暖位置。在几个方面中，HVAC***78起热泵的作用。也就是说，HVAC***78是加热和冷却功能都可以的空调。
在一个示例中，机动车辆10的操作者确定期望的乘客室空气温度，并选择HVAC***78的加热循环。HVAC***78包括压缩机80。制冷剂74经由已知为抽吸管路82的制冷剂导管76进入压缩机80。压缩机80压缩气态制冷剂74，从而增加制冷剂74的温度和压力。现在的高压高温制冷剂74然后经由已知为排放管路84的制冷剂导管76离开压缩机80，并流入驾驶室冷凝器86。在一些方面中，驾驶室冷凝器86是具有多个冷凝器盘管的热交换设备，制冷剂74流经该冷凝器盘管。盘管与乘客室大气接触。HVAC鼓风机或风扇88将空气吹过驾驶室冷凝器86，从而将热能从冷凝器86释放到乘客室大气中。在一些方面中，制冷剂回路52包括第二或外部冷凝器90。外部冷凝器90与机动车辆10外部的大气接触，并且当接合时，将热能从来自机动车辆10的制冷剂74释放到大气。
HVAC***78进一步包括多个膨胀阀92。根据HVAC***78的设计参数，膨胀阀92可以是机械恒温膨胀阀(TXV)(未具体示出)和/或电子膨胀阀(EXV)(未具体示出)。用EXV比用TXV更直接和精确地控制对制冷剂74的膨胀率的控制，然而在某些情况下，出于成本、简单等原因期望使用TXV。从驾驶室冷凝器86和/或外部冷凝器90接收的冷凝的、加压的且仍然有些温热的制冷剂74通过膨胀阀92。随着制冷剂74被膨胀阀92减压，制冷剂74冷却。制冷剂74然后经过蒸发器94。蒸发器94是热交换设备，其中一系列制冷盘管(未示出)运送冷却制冷剂74流。制冷器盘管与乘客室大气交换热能。HVAC鼓风机或风扇88将空气吹过驾驶室蒸发器94，从而冷却机动车辆10的乘客室。已经经过蒸发器94的制冷剂74然后被引导返回通过压缩机80。根据冷却剂28和制冷剂74的相对温度，以及电池38和其他热管理***12部件的热需求，制冷剂74也选择性地经过膨胀阀92到冷却器50，其中热能从冷却剂回路24获得或释放到该冷却剂回路。
在一个示例中，根据乘客室的最佳加热和/或冷却需求，或者其他热管理***12部件的最佳加热和/或冷却需求，HVAC***78可以由乘客室中的乘员或者由控制器16间歇地或连续地运行。在一个示例中，HVAC***78作为热泵来连续运行。如前所述，当作为热泵运行时，HVAC***78引导制冷剂74通过驾驶室冷凝器86，从而将在制冷剂74中的热能排放到乘客室并冷却制冷剂74。然而，因为制冷剂回路52与在冷却器50中的制冷剂回路24交换热能，所以在制冷剂回路52中的制冷剂74的温度基本上保持高于水的冰点。也就是说，制冷剂74经由在冷却剂回路24中的冷却剂28与冷却剂28以及在油回路62中的油64连续交换热能。因此，当经过乘客冷凝器86和外部冷凝器90的制冷剂74排放热能，并且从而该制冷剂被冷却时，在制冷剂74经过冷却器50时，也获得热能。因此，因为制冷剂74的温度基本上保持高于水的冰点，所以驾驶室冷凝器86基本上保持没有积冰。类似地，在第二示例中，控制器16引导制冷剂74通过外部冷凝器90，其中制冷剂74通过将热能排放到大气中而被冷却，但是因为制冷剂74也流过冷却器50，所以制冷剂74的温度基本上保持在水的冰点以上。因此，在第一和第二示例两者中，即使连续使用驾驶室和外部冷凝器86、90中的一个、另一个或两个，也可以防止在驾驶室和外部冷凝器86、90上形成冰。而且，即使冰开始积聚在驾驶室和外部冷凝器86、90上，控制器16也将热能从在油回路62或冷却剂回路24中的热能储蓄器中的一个引导至冷却器50，并使用膨胀阀92引导通过内部和/或外部冷凝器86、90，从而根据需要融化任何积冰。
现在转到图5，以流程图的形式示出了用于控制热管理***12的功能的热管理方法100。总体而言，控制器16经由TOC 60和制冷器50管理冷却剂回路24、驱动单元油回路62和制冷剂回路52的功能，以将热能传递到需要热能的在机动车辆10内设备。附加地，控制器16根据热管理***12的需要，引导热能储存在各种热流体回路14的不同部件中。
热管理方法100在块102开始，其中启动连续热管理***12控制回路。该方法进行到块104，其中控制器16计算在热管理***12中储存的能量。总体而言，储存的能量是储存在电池38中的能量、储存在驱动单元48中的能量和储存在机动车辆10的其他部件中的能量的总和(例如，储存在制冷剂回路52、IPE 34等中的能量的总和)。更具体地说，储存在电池38中的能量可以是电池38热容量乘以从冷却剂28的温度中减去的电池38的温度的量度。在示例中，驱动单元48能量是驱动单元48的热容量乘以从冷却剂28的温度中减去的油64的温度。储存在机动车辆10的其他部件中的能量可以是各种部件的热容量的总和乘以从冷却剂28的温度中减去的在不同热流体回路14中相关的一个中的流体温度的函数。
方法100然后进行到块106，其中控制器16计算***废热。***废热是在热管理***12的每个部件中过量的热能的总和。该方法然后进行到块108，其中控制器16确定是否已经做出HVAC***78的请求。在块108做出的HVAC***78请求可以是“加热”请求或“冷却”请求的形式。当HVAC***78的请求是“冷却”请求时，在块110，热管理***12作为热泵运行以冷却乘客室。在块112，控制器16根据在冷却剂28、电池38、HVAC***78、以及电子加热装置(诸如由OBCM 36运行的机动车辆10的壁式充电器等)中的热能的量来计算冷却剂28流。在块114，热管理方法100退出并返回到块102，其中连续热管理回路再次开始。
当HVAC***78的请求是“加热”请求时，方法100进行到块116，其中控制器16将热管理***12作为热泵运行以加热乘客室。在块118，控制器16计算热管理***12的热需求。热管理***热量12的热需求是热泵热需求、电池38热需求和驱动单元48热需求的总和。在块120，控制器16基于从可回收的储存的热能和***废热的总和中减去热管理***12所需的热来计算热不足。在块122，控制器16确定来自块120的热不足是否大于零。在块124，如果热不足大于零，则电池38运行以将热能提供到热管理***12。也就是说，电池38将储存在电池38的质量中的热能释放到冷却剂28中，从而将热能从源(电池38)移动到适当的散热器(在这种情况下，是HVAC***78)。在另一示例中，控制器16可以命令电池38以将热能提供到发生器，诸如驾驶室冷凝器86。在又一示例中，控制器16命令在热管理***12中的所有高压设备(诸如冷却剂加热器30、IPE34、OBCM 36和电池38)以低效率地运行，从而产生热能作为电能使用的副产品，并经由冷却剂28将热能提供到适当的热能散热器。在又一个示例中，控制器16命令OBCM 36将来自再生制动***37的电能转换成热能。在一些方面中，为了将来自再生制动***37的电能转换成热能，电动机40低效地运行。也就是说，在一些情况下，电动机40提供相对于发动机70提供的扭矩的阻力，从而导致发动机70和电动机40以生成作为运行的副产品的热能。热能然后通过循环冷却剂28收集并分配到需要热能的位置。在块126，如果热不足不大于零，则电池38保持热能和电能储蓄器，并且控制器16不会命令电池38释放能量到热管理***12用于加热目的。在块124或块126之后，方法100进行到块112，然后进行到块114，并且随后进行到块102，其中连续热管理回路再次开始。
再次参见块108，HVA***78并不总是做出请求。因此，当没有做出这样的请求时，热管理方法100进行到块128，其中控制器16确定是否已经做出电池38请求。像HVAC***78的请求一样，电池请求可以是“加热”或“冷却”的形式，或者根本没有请求。在“冷却”请求的情况下，热管理方法100进行到块110，其中控制器16将热管理***12作为热泵运行，以冷却电池38。也就是说，控制器16操作热管理***12以经由冷却剂28从电池38排出热能，从而将热能移动到在热管理***12内需要热能的其他位置。在块112，控制器16根据在冷却剂28、电池38、HVAC***78、以及电子加热装置(诸如由OBCM 36运行的机动车辆10的壁式充电器等)中的热能的量来计算冷却剂28流。在块114，热管理方法100退出并返回到块102，其中连续热管理回路再次开始。
当电池38请求是“加热”请求时，如与HVAC***78的加热请求一样，热管理方法100进行到块116，其中控制器16将热管理***12作为热泵操作，以从热管理***12内的热能源和储蓄器收集热能，并将热能传递到电池38。热管理方法100然后进行到块118、块120、块122和块124或块126，然后进行到块112和块114，如以上HVAC***78加热请求的示例那样。再次参见块128，电池38并不总是做出请求。因此，当没有做出这样的请求时，热管理方法100进行到块130，其中控制器16确定是否已经做出驱动单元48请求。
如与上述HVAC***78和电池38那样，驱动单元48的请求可以是“加热”或“冷却”请求的形式，或者根本没有请求。当控制器16确定已经做出“冷却”请求时，方法100进行到块132，其中控制器16命令热管理***12以将热能储存在热管理***12中的各种热能储蓄器中的任何一种中。热能储蓄器可以是冷却剂回路24、驱动单元油回路62或制冷剂回路52的任何部件。在一些方面中，热能储蓄器具有的质量越大，储蓄器可以储存的热能就越多。然而，热能储蓄器的成分、密度、表面积、绝缘和其他物理特性也是在给定储蓄器的热能储存容量方面的相关因素。而且，在块132，控制器16计算已经使用的热管理***12的热储存容量的量。在块120，控制器16使用关于在热管理***12中使用的热储存容量的信息来帮助计算热管理***12的热不足。此外，在块132，控制器16计算已经充满热能的整个热管理***12热能储存容量的百分比。
当控制器16确定已经做出驱动单元48“加热”请求时，方法100进行到块118，其中热管理***12作为热泵运行，以从在热管理***12内的热能源和储蓄器收集热能，并将热能传递到驱动单元48。热管理方法100然后进行到块118、块120、块122和块124或块126，然后进行到块112和块114，并且随后返回到块102，如以上HVAC***78和电池38的加热请求的示例那样。再次参见块130，驱动单元48并不总是做出请求。因此，当没有做出请求时，热管理方法100进行到块132，其中控制器16命令热管理***12将热能储存在热管理***12中的各种热能储蓄器中的任何一种中。热能储蓄器可以是冷却剂回路24、驱动单元油回路62或制冷剂回路52的任何部件。在一些方面中，热能储蓄器具有的质量越大，储蓄器可以储存的热能就越多。然而，热能储蓄器的成分、密度、表面积、绝缘和其他物理特性也是在给定储蓄器的热能储存容量方面的相关因素。而且，在块132，控制器16计算已经使用的热管理***12的热储存容量的量。在块120，控制器16使用关于在热管理***12中使用的热储存容量的信息来帮助计算热管理***12的热不足。此外，在块132，控制器16计算已经充满热能的整个热管理***12热能储存容量的百分比。
在块134，控制器16确定冷却剂28的温度是否高于预定目标温度。预定目标温度被选择作为指示热管理***12何时已经达到充满储存容量。也就是说，当热管理***12完全充满热能时，冷却剂28的温度对于添加到热管理***12的每个附加量子能量(热能或其他能量)都将升高。如果热管理***12是满的，则方法100进行到块110，其中热管理***12作为热泵运行，以冷却热管理***12的部件。在几个方面中，为了冷却热管理***12，控制器16命令热管理***12经由换热器54和/或HVAC***78的外部冷凝器90或其他这种热交换器将过量的热能排放到乘客室或到机动车辆10周围的大气中。热管理方法100然后进行到块112、114，并且随后进行到块102，其中方法100连续操作。然而，如果控制器16确定热管理***12未满，则方法100进行到块112，其中控制器16根据在冷却剂28、电池38、HVAC***78、以及电子加热装置(诸如由OBCM 36运行的机动车辆10的壁式充电器等)中的热能的量来计算冷却剂28流。在块114，热管理方法100退出并返回到块102，其中连续热管理回路再次开始。
虽然上述热管理方法100被描述为具有基于在块108的HVAC***78请求、在块128的电池38请求、以及在块130的驱动单元48请求的一组串联计算，但是应当理解的是，在不脱离本公开的范围或意图的情况下，在块108、块128和块130中执行的计算中的每一个可以串联、并联或以图5中给出的顺序之外的顺序执行。
本公开的用于控制机动车辆10的热管理***12的机动车辆热管理***12和方法100给出几个优点。这些包括低生产成本、简化的部件、减小的部件尺寸和成本、简化的计算机和流体控制结构、适应性、增加的燃料经济性(或MPGe)、改进的安全性、改进的排放以及对于多种机动车辆10和传动***类型的适应性。附加地，本公开的***和方法通过在预先存在的机动车辆10部件中提供增加的热能储存冗余和恢复性来改进机动车辆10***的热管理的可靠性和坚固性。
可以通过热能管理***12(例如，使用上述方法100)提供多种操作模式。可用操作模式的示例可以包括但不限于在下面进一步详细讨论的模式。
在第一操作模式中，热能管理***12通常可以储存由车辆10的部件产生的热能。例如，其中在车辆10的其他部件不立即需要例如使用HVAC***78向乘客室供热的情况下，可以储存电池38的过量的热能。以这种方式，“低质量”形式热能可以被储存在热能管理***12中以供稍后使用。以这种方式，相对低质量的热能可以被储存和累积，在稍后的时间，例如当其他车辆***或部件需要时，以便于将热能作为相对“高质量”的热能使用。在一个示例中，例如，如上所述在块104，控制器16可以计算在热管理***12中储存的能量。储存的热能的量可以根据其他车辆***的需求使用，例如，由于对提供给乘客室的热的需求。
在其他示例操作模式中，热能管理***12通常可以通过经由HVAC***78循环相对冷的空气来冷却乘客室。
例如，第二操作模式可以包括HVAC***78的操作，以将冷却空气供应到乘客室。如上所述，在方法100的块108，控制器16可以确定已经做出了HVAC***78的请求以“冷却”乘客室。相应地，热管理***12可以作为热泵运行，以冷却乘客室，例如，如以上结合块110和块112所讨论的。在这个第二模式中，热能管理***12可以采用制冷回路52的部件(例如HVAC***78)，以生成明显较冷的气流并将它们传递到乘客室中。
类似地，在第三模式中，HVAC***78也可以响应于“冷却”请求，使用制冷回路52的部件将冷却空气供应到乘客室，以生成相对冷的气流，该气流被传送到乘客室中。同时，在这个第三模式中，热能管理***12可以从电池38或在车辆10的电源舱中的其他部件排出热能。例如，如上所述，方法100可以在块110中经由控制器16将热管理***12作为热泵运行，以冷却电池38。从而，热管理***12可以将热能从电池38(例如经由冷却剂28)排出，从而将热能移动到热管理***12中需要热能的其他位置或者从车辆中完全排出。
热能管理***的第四模式可以与上述第三模式相同，但是可以另外包括由HVAC***78提供的对应于空调或冷却的再加热功能。例如，HVAC***78可以通过进一步冷却气流来对供应到乘客室的气流除湿，而促进从气流中去除湿气。
热能管理***12的附加模式可以涉及期望从车辆10的电源舱移除热能的情况。例如，与电池38相关联的用于向车辆10提供推进力的电动发电机(未具体示出)和/或电池38，在通常封闭的发动机舱或隔室中为了将与它们的运行相关联的噪音、振动、热量等与车辆乘客离隔的目的可以被分离。相应地，在这些模式中，可以期望降低舱中的环境温度和/或舱中的部件本身的温度。
例如，在第五操作模式中，热能管理***12寻求冷却电源舱和/或其部件，而不需要加热或冷却乘客室。例如，在没有对乘客舱进行加热或冷却的需求，并且电源舱(例如电池38)的部件的运行温度高于期望的温度或范围的情况下，热能管理***12可以作为响应将热能从电源舱中排出。
在涉及电源舱冷却的其他操作模式中，热能管理***12可以使用HVAC***78附加地将热供应到乘客室。例如，热能管理***12可提供电子热传递加热功能，其中来自电源舱或其他车辆部件的过量的热可用于向乘客舱提供热。在涉及第六操作模式的一个这样的示例中，来自电源舱(例如来自电池38)的热量，可以被用于向HVAC***78供热，并且还可以相对于车辆10操作除霜和/或除雾功能。在涉及第七操作模式的另外的示例中，来自在电源舱(诸如电池38)中的(多个)车辆部件的热量可以将热供应到HVAC***78，以排除乘客舱可用的其他加热方法。相应地，相对于向乘客室供应所有可用的热能，第七操作模式通常可以是“最大”加热模式。在第六和第七操作模式中的每一个中，热请求可以在HVAC***78处被接收，使得控制器16将热管理***12作为热泵运行，以加热乘客室，例如，如上文在块118所述。第六和第七模式还可以包括确定热不足，以确定向热管理***12提供(例如由电池38)需要的热能。相应地，以上述各种示例方式从循环冷却剂28收集的热能可以分布到需要热能的位置，即乘客室。
如上所述，示例热能管理***12可以有利地在三个热流体回路之间传递热能。以这种方式，来自热源(自诸如车辆电池38或其他电子设备)的过量的热能可以用于维持在极端温度下的运行，即使在产生的热能具有相对低质量(例如，由电子源生成)的热能的情况下。相反，在车辆加热***的先前方法中，由于制冷剂盘管上开始结冰，在非常冷的环境温度下(例如，处于或低于冰点，即32华氏度或0摄氏度)一段时间后，需要净化制冷回路或停止加热操作(即“冷冻-净化”循环)。换句话说，虽然车辆加热***的先前方法通常需要在冰点温度或低于冰点温度下定期停机，但是示例热能管理***12可以从其他源(诸如车辆电池38或其他电子设备)获取热能，从而在极端冷的情况下维持较长时间的运行。在热能管理***12的这个优点的一个说明性示例中，冷却剂回路24被配置成经由制冷剂回路52将热能传递到乘客室，从而加热乘客室。而且，乘客室的这种加热可以在非常冷的温度(例如，在5摄氏度或低于5摄氏度下)下并且无需制冷剂回路52的冷冻净化循环而连续供应。
应该理解的是，前面是对本发明的一个或多个实施例的描述。本发明不限于本文披露的(多个)特定实施例，而是仅由下面的权利要求限定。另外，包含在前述描述中的陈述涉及特定实施例，并且不应被解释为对本发明的范围或对权利要求中使用的术语的定义的限制，除非术语或短语在上面被明确定义。对本领域技术人员来说，各种其他实施例和对(多个)所披露的实施例的各种改变和修改将变得显而易见。所有这些其他实施例、变化和修改旨在落入所附权利要求的范围内。
如在本说明书和权利要求书中所使用的，术语“例如”、“诸如”、“例如”和“像”以及动词“包含”、“具有”、“包括”和它们的其他动词形式，当与一个或多个组件或其他项的列表结合使用时，各自都解释为开放式的，这意味着该列表不被认为排除了其他、附加的组件或项。其他术语应使用其最广泛的合理含义进行解释，除非它们在需要不同解释的上下文中使用。

Claims (10)

1.一种车辆，包括：
乘客室；以及
热能管理***，所述热能管理***被配置为将热能供应到所述乘客室，所述热能管理***包括：
第一热流体回路，所述第一热流体回路包括冷却剂泵和冷却剂导管，所述冷却剂泵被配置成经由所述冷却剂导管泵送冷却剂通过车辆电池、所述车辆的变速器油冷却器和制冷机，其中所述冷却剂在被所述冷却剂泵循环通过所述冷却剂导管时被配置成选择性地从所述车辆电池、所述变速器油冷却器和所述制冷机传递热能；
第二热流体回路，所述第二热流体回路被配置成使油循环通过所述变速器油冷却器，所述油围绕所述车辆的驱动单元循环，以经由所述油从所述驱动单元传递热能；以及
第三热流体回路，所述第三热流体回路被配置成使制冷剂循环通过所述制冷机和冷凝器，使得所述第三热流体回路被配置成将热能传递到所述乘客室；
其中所述第一热流体回路被配置成在操作所述热能管理***期间，经由所述第三热流体回路将热能传递到所述乘客室，从而在不需要所述第三热流体回路中的所述制冷机和所述冷凝器的冷冻净化循环的情况下，连续地加热所述乘客室。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述车辆进一步包括车载充电模块和集成电力电子模块中的至少一个，并且所述第一热流体回路被配置成使所述冷却剂循环通过所述车载充电模块和所述集成电力电子模块中的至少一个。
3.如权利要求2所述的车辆，其中，所述第一热流体回路被配置成储存来自所述车载充电模块和所述集成电力电子模块中的至少一个的热能。
4.如权利要求1所述的车辆，其中，所述第一热流体回路通过所述制冷机与所述第三热流体回路热连通，并且其中所述第一热流体回路被配置成经由所述制冷机以及所述第三热流体回路将从所述车辆电池、所述变速器油冷却器和所述制冷机传递的热能的至少一部分供应到所述乘客室。
5.如权利要求1所述的车辆，其中，所述第一热流体回路被配置成经由所述第三热流体回路将热能供应到所述乘客室，在环境温度等于或低于5摄氏度时，不需要所述第三热流体回路的所述冷冻净化循环。
6.如权利要求1所述的车辆，其中，所述车辆被配置成仅经由所述第一、第二和第三热流体回路循环由所述车辆生成的热能。
7.如权利要求1所述的车辆，进一步包括从所述电池接收电力的电动马达-发电机，所述马达-发电机被配置成将推进供应到所述车辆。
8.如权利要求7所述的车辆，其中，所述车辆是电池电动车辆(BEV)、混合动力车辆或燃料电池车辆。
9.如权利要求1所述的车辆，其中，所述第一热流体回路是冷却剂回路，所述第二热流体回路是油回路，并且所述第三热流体回路是制冷剂回路。
10.一种用于车辆的热能管理***，所述车辆包括乘客室，所述热能管理***包括：
第一热流体回路，所述第一热流体回路包括冷却剂泵和冷却剂导管，所述冷却剂泵被配置成经由所述冷却剂导管泵送冷却剂通过车辆电池、所述车辆的变速器油冷却器和制冷机，其中所述冷却剂在被所述冷却剂泵循环通过所述冷却剂导管时被配置成选择性地从所述车辆电池、所述变速器油冷却器和所述制冷机传递热能；
第二热流体回路，所述第二热流体回路被配置成使油循环通过所述变速器油冷却器，所述油围绕所述车辆的驱动单元循环，以经由所述油从所述驱动单元传递热能，以及；
第三热流体回路，所述第三热流体回路被配置成使制冷剂循环通过所述制冷机和冷凝器，使得所述第三热流体回路被配置成将热能传递到所述车辆的所述乘客室；
其中所述第一热流体回路被配置成在操作所述热能管理***期间，经由所述第三热流体回路将热能传递到所述乘客室，从而在不需要所述第三热流体回路中的所述制冷机和所述冷凝器的冷冻净化循环的情况下，连续地加热所述乘客室。
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