车辆及控制电池电动车辆的方法

车辆及控制电池电动车辆的方法
【专利摘要】本发明公开了一种车辆及控制电池电动车辆的方法，所述车辆包括电热源、热交换器、牵引电池、热连接至热交换器和热源的第一热回路以及热连接至牵引电池并配置用于选择性地热连接至热源的第二热回路。车辆包括电热源、被配置为用于与电热源选择性地热连接的热交换系统以及被配置为用于选择性地热连接至电热源的牵引电池系统。控制电池电动车辆的方法包括探测车辆状态输入并运转电加热器以加热流体。驱动阀门装置以提供流体通过第一流体管道至牵引电池、通过第二流体管道至热交换器以及通过第一和第二流体管道至电池和热交换器。
【专利说明】车辆及控制电池电动车辆的方法
【技术领域】
[0001]本发明的多个实施例涉及热系统和控制用于具有牵引电池的车辆的热系统的方法。
【背景技术】
[0002]电动车辆需要用于推进电池和乘客厢两者的热源。由于通常的内燃发动机(ICE)的发动机废热对于电池电动车辆(BEV)来说不存在，并且对于其它的混合动力车辆(比如插电式电动混合动力车辆(PHEV)河能受到限制，所以需要在车辆中提供替代的加热系统。基于在极端温度性能或充电能力的降低而加热高压电池。为了乘客舒适而需要使用暖通空调(HVAC)系统来加热乘客厢或舱。车辆电池和乘客厢可以在车辆使用期间被加热并且还可以在充电期间或使用前被预先调节或加热。现有技术中用于车辆的多个热系统使用具有完全一样功能的多个加热装置，使得乘客厢具有加热装置而电池具有独立的加热装置，这导致了额外的布线、高电流电子部件和控制。

【发明内容】

[0003]在一个实施例中，提供了用于电动车辆的具有电热源、热交换器和牵引电池的热系统。第一热回路热连接(thermally coupled)至热交换器并热连接至热源。第二热回路热连接至牵引电池并被配置为用于选择性地热连接至热源。
[0004]在另一个实施例中，提供了具有电热源、被配置为用于与电热源选择性地热连接的热交换系统以及被配置为用于选择性地热连接至电热源的牵引电池系统的车辆。
[0005]在又一实施例中，提供了控制电池电动车辆的方法。探测车辆状态输入。运转电加热器来加热流体。响应于探测的车辆状态输入而驱动阀门装置以提供流体通过第一流体管道至牵弓I电池和通过第二流体管道至热交换器中的至少一者。
[0006]根据本发明的多个实施例具有关联的优点。例如，根据本发明的多个实施例提供单个加热器来加热电池并用作HVAC系统的加热源，这减少了车载加热器的数量并提供较高的功率容量(power capability)以满足极端低温期间牵引电池的加热需求。电池热回路和HVAC热回路之间的阀门装置允许控制电池和HVAC系统的热交换器之间的热量传输。例如，可以基于车辆状态和任何用户输入而控制阀门装置在两个回路之间可变或混合加热。
[0007]根据本发明，提供一种用于电动车辆的热系统，包含:电热源；热交换器；牵引电池；热连接至热交换器并热连接至热源的第一热回路；以及热连接至牵引电池并且被配置为用于选择性地热连接至热源的第二热回路。
[0008]根据本发明的一个实施例，第一热回路被配置为用于与第二热回路选择性流体连通。
[0009]根据本发明的一个实施例，进一步包含被配置为用于控制第一和第二热回路使得热量提供至热交换器和牵引电池中至少一者的控制器。
[0010]根据本发明的一个实施例，控制器被配置为用于控制第一热回路和第二热回路使得提供至热交换器的热量的量独立于提供至牵引电池的热量的量。
[0011]根据本发明的一个实施例，热交换器被配置为用于提供热量至车辆的乘客厢。
[0012]根据本发明的一个实施例，第一热回路包含泵。
[0013]根据本发明的一个实施例，第二热回路包含泵和制冷机。
[0014]根据本发明的一个实施例，进一步包含控制阀门装置使得通过第一管道提供的流体的量独立于通过第二管道提供的流体的量。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]图1说明了能执行实施例的车辆的示意图；
[0016]图2说明根据实施例的热系统的示意图；以及
[0017]图3说明了根据实施例使用图2中热系统的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018]根据需要，本说明书中公开了本发明具体的实施例；但是，应理解公开的实施例仅为本发明的示例并且可以以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。所以，此处所公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅为教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。
[0019]参考图1，根据一个或多个实施例说明了电动车辆20，比如电池电动车辆(BEV)。图1只代表BEV构架的一种类型，并不意味着限制。本发明可应用于任何适用的BEV以及具有发动机和连接至被配置为用于使用外部电源充电的牵引电池的电机两者的其它混合动力车辆构架(比如插电式电动车辆(PHEV))。
[0020]参考图1,在显示的实施例中，车辆20或BEV可以是通过电力推动(例如通过电动马达)的纯电动车辆而不需要来自内燃发动机的辅助。马达24接收电力并提供机械旋转输出动力。马达24连接至通过预定传动比调节马达24的输出扭矩和转速的变速箱38。变速箱38通过输出轴42连接至一组驱动轮40。车辆20的其它实施例还包括用于推动车辆20的多个马达(未显示)。马达24还可作为将机械能转换为电能的发电机。高压总线44通过逆变器48将马达24电连接至能量存储系统46。
[0021]根据一个或多个实施例，能量存储系统46包括主电池50和电池能量控制模块(BECM) 52。主电池50是可以输出电力来运转马达24的高压电池或牵引电池。例如，主电池50是一个或多个电池模块(未显示)构成的电池包。每个电池模块可以包含一个电池单元或多个电池单元。使用下文关于图2-3更详细描述的冷却剂系统和方法加热和冷却电池单元。BECM52用作主电池50的控制器。BECM52还包括管理每个电池单元的温度和荷电状态的电子监视系统。电池50具有至少一个温度传感器，比如电热调节器或类似的传感器。电池温度传感器与BECM52通信以提供关于电池50的温度数据。
[0022]在本说明书中马达24、变速器控制模块(TCM) 30、变速箱38和逆变器48统称为传动装置54。车辆控制器26与传动装置54通信以协调传动装置54和其它车辆系统的功能。控制器26、BECM52和TCM30说明为独立的控制模块。用于车辆20的控制系统可以包括任何数量的控制器，或者可以集成为单个控制器，或者具有多个模块。可通过控制器局域网(CAN)或其它系统连接部分或所有控制器。控制系统可以被配置为:用于在任意数量的不同状况下，包括以热管理(thermally manage)电池50和车厢或乘客舱中温度的方式控制传动装置54的多个部件和电池50的运转，以及用于电池50的充电和放电运转。
[0023]TCM30被配置为用于控制传动装置54内具体的部件，比如马达24和/或逆变器48。车辆控制器26监视马达24的温度并从驾驶员接收节气门请求(或希望的马达扭矩请求)。车辆控制器26使用该信息提供马达扭矩请求至TCM30。TCM30和逆变器48将主电池50提供的直流(DC)电转换为用于响应于马达扭矩请求而控制马达24的信号。
[0024]车辆控制器26通过用户界面60向驾驶员提供信息。用户界面可包括允许用户将车辆的要求或希望的运转或充电参数或者其它车辆运转参数输入控制器26的特征。用户界面可包括触摸屏界面、至远程机站(比如移动装置或计算机)的无线连接以及本领域中已知的其它输入界面。车辆控制器26还接收指示车辆系统当前工况的输入信号。例如，车辆控制器26可接收来自BECM52的代表电池50状况的输入信号以及来自传动装置54的代表马达24和逆变器48状况的输入信号。车辆控制器26被配置为用于将输出(比如马达状态或荷电水平状态)提供至用户界面60，该输出可以可视化地或语音地传递给驾驶员。
[0025]例如，用户可以使用用户界面60输入离开时间、离开时希望的车厢温度等或将离开时间、离开时希望的车厢温度输入至与充电器76通信的界面。可替代地，控制器26包括确定包括行驶的里程、行驶的路径、离开时间、车厢气候偏好等的用户驾驶习惯的概率或其它逻辑模块。控制器26在多个用户请求之间仲裁以热管理充电中或运转中的车辆20。
[0026]车辆20包含用于加热或冷却多个车辆部件的气候控制系统62。根据下文关于图2进一步描述的一个或多个实施例，气候控制系统62包括高压正温度系数(PTC，positivetemperature coefficient)电加热器64和高压电暖通空调(HVAC)压缩机66。PTC64和HVAC压缩机66分别用于加热和冷却循环至主电池50的流体。PTC64和HVAC压缩机66都可以直接从主电池50汲取电能。气候控制系统62可以包括通过CAN总线56与车辆控制器26通信的或者集成在控制器26中的控制器(未显不)。气候控制系统62的开启/关闭状态被传输至车辆控制器26，并且可以基于例如驾驶员操作的开关的状态或者基于相关功能(比如车窗除霜)的气候控制系统62的自动控制。气候控制系统62可连接至用户界面60以允许用户设置车厢温度或车辆将来运转循环的预编程温度。
[0027]根据一个实施例，车辆20包括辅助电池68，比如12伏的电池。辅助电池68可用于驱动多个车辆附件，比如大灯等(其在此处统称为附件70)。直流-直流(DC-DC)转换器72可以电连接在主电池50和辅助电池68之间。DC-DC转换器72调节或者“步降”(st印down)电压水平以允许主电池50向辅助电池68充电。低压总线74将DC-DC转换器72电连接至辅助电池68和附件70。
[0028]车辆20包括用于给主电池50充电的交流电(AC)76。电子连接器78将AC充电器76连接至外部电源(未显示)以接收AC电力。AC充电器76包括用于将接收自外部电源的AC电源转换或“整流”成用于给主电池50充电的DC电源的电力电子件(power electronics)。AC充电器76被配置为用于适配来自外部电源(例如110伏、220伏、两相、三相、电平1、电平2等)的一个或多个常规电压源。在一个或多个实施例中，外部电源包括利用再生能源(t匕如光伏(PV)太阳电池板或风轮机(未显示))的装置。
[0029]图1显示的是驾驶员控制系统80、电动转向系统82和导航系统84的简化示意代表。驾驶员控制系统80包括制动、加速和档位选择(换挡)系统。制动系统包括制动踏板、位置传感器、压力传感器或它们的组合以及至车轮(比如主驱动轮40)的机械连接以产生摩擦制动。制动系统还可配置再生制动，其中制动能量被捕获并作为电能存储在主电池50中。加速系统包括具有一个或多个传感器的加速器踏板，其类似于制动系统中的传感器，提供信息(比如节气门请求)至车辆控制器26。挡位选择系统包括手动地选择变速箱38的挡位设置的变速杆。挡位选择系统可包括用于提供挡位选择信息(例如PRNDL)至车辆控制器26的挡位位置传感器。
[0030]导航系统84可包括导航显示器、全球定位系统(GPS)单元、导航控制器以及用于接收来自驾驶员的目的地信息或其它数据的输入(都未显示)。在一些实施例中导航系统可以和用户界面60集成。导航系统84还可传输与车辆20关联的距离和/或位置信息、其目标目的地或其它相关的GPS航路点。
[0031]图2说明和图1中显示的车辆20或根据另一个实施例的车辆(比如另一种BEV构架、PHEV或其它的电动或混合动力电动车辆)使用的热系统100。电池热循环102可加热和冷却牵引电池50。气候控制系统热循环104为车厢加热空气或在其它实施例中提供用于另一个车辆部件的加热。回路102、104共享共用的加热器64以加热回路102、104—者或两者中的流体。两个热回路102、104可以彼此分离并独立运转，或者可以被选择性地连接而运转使得回路中的流体在两个回路102、104之间流动或在两个回路102、104之间部分地流动。阀门装置(比如阀门106、108)控制两个回路102、104之间的流体流动或用于分离回路。控制器110控制热系统100的运转。
[0032]热回路102热管理电池50而调整单元温度以保持电池50的使用寿命、允许适当的荷电并满足车辆性能属性。热回路102通过用于电池50的流体热传递提供主动的加热或主动的冷却。热回路102包含流动通过邻近于电池单元的冷却通道的流体以主要使用对流热传递来加热或冷却电池50。泵112控制回路102中流体的流动。电池回路102还可流动通过电池充电器76以主动地加热或冷却充电器76和充电部件。
[0033]加热器64作为热源而加热流体并从而主动地加热电池50。加热元件64可以是与车辆中另一个热系统热交换而回收利用废热的热交换器，或者可以是独立的加热器(比如燃料内燃机加热器)或者电力驱动的加热器。电力驱动的加热器可以是正热系数(PTC)加热器或者本领域中已知的另一种加热器。
[0034]电池热循环102还具有冷却流体而主动冷却电池50的制冷机元件114或吸热设备。制冷机114可以是蒸汽压缩或吸收循环的一部分、与车辆热系统中另一个元件热交换的换热器或本领域中已知的吸热设备。
[0035]热回路104提供用于气候控制系统62或HVAC系统的热空气。回路104提供主动加热并包含流体。尽管在其它实施例中可以使用具有变化的热和流体属性的不同流体，在显示的实施例中，回路102、104中的流体是相同的流体。回路104提供加热的流体至在加热的流体和HVAC系统中的空气之间传输热量的热交换器116以提供加热的空气来加热乘客厢、用于车窗除霜或除雾等。热交换器116可以是同向流动式、逆流式或本领域中已知的其它热交换器。加热器64作为热源来加热回路104中的流体并从而将加热的流体提供至热交换器116。泵118控制回路104中流体的流动。
[0036]回路102、104可以具有一个或多个除气的瓶子来捕集流体中的蒸汽并增加系统100的热效率。除气的瓶子可以是空气捕集器、分离器或本领域中已知的其它装置。如果需要，比如在保养事件期间除气的瓶子还可作为填充位置(fill location)来添加额外的流体至系统100。
[0037]控制器110 (该控制器可以是与电池控制模块52通信或与模块集成的车辆控制器)监视电池状态、乘客厢状态、车辆状态和任何用户请求并控制系统100来响应。控制器110被配置为用于控制加热器64、制冷机114、泵112、118和阀门106、108的运转而提供热量至气候系统和/或加热和冷却电池50。
[0038]控制器110监视电池50以确定电池50的荷电状态和容量以及使用被配置为用于测量电池中一些或所有单元的温度的关联温度传感器来确定电池中单元的温度。控制器110通过测量或估算多个电池单元的温度而确定电池50的温度。可替代地，控制器110从BECM52接收关于电池50的信息。
[0039]控制器110还与车辆控制器26通信以接收关于用户对HVAC系统的请求或输入的信息以及车厢温度。通过车厢温度传感器测量车厢温度以提供用于HVAC系统的反馈用于车厢的气候控制。
[0040]控制器110还与车辆上的环境温度传感器通信或者从车辆控制器26接收该信息。环境温度传感器被配置为用于测量环境的温度以与电池50或HVAC系统的热管理一起使用。
[0041]可在多个配置或模式中使用系统100。在一个示例中，通过驱动阀门106、108进入适当的配置而将电池回路102和HVAC回路104彼此分离。当系统处于该配置中时流体保持在回路102或104中，并不通到另一回路中。当回路102、104分离时多个运转模式可用于系统100。
[0042]电池回路102可以对电池50提供主动冷却，或者可以不运转而允许电池温度以被动的方式改变。如果通过控制器Iio命令回路102来主动地冷却电池50，则运转泵112和制冷机114以循环回路102内的流体来冷却电池50。独立地，HVAC回路104可以通过热交换器116为HVAC系统提供主动的加热，或者可以不运转而允许车厢温度以被动的方式改变或者使用HVAC中的另一个子系统来冷却。如果通过控制器110命令回路104为气候控制系统主动地提供加热，则运转泵118和加热器64以循环回路104内的流体来将加热的流体提供至热交换器116并将热空气用于气候系统。所以，通过阀106、108分离回路102、104，回路102可以以冷却模式运转，回路104可以以加热模式运转，或者回路102、104两者同时运转。
[0043]在另一个示例中，驱动阀106、108使得加热器64被包含进电池回路102，并且HVAC回路104停用。电池回路中的流体从电池50流动穿过阀108至加热器64，并且随后流动穿过阀106再返回进回路102并通过泵112。泵112运转以循环回路102中的流体。电池回路102为电池50提供主动加热。
[0044]在又一示例中，驱动阀106、108使得合并电池回路102和HVAC回路104。两个回路102、104中的流体可以在回路102、104之间混合。电池回路102可为电池50提供主动加热，而HVAC回路104可以为气候系统的热交换器提供主动加热。流体流出加热器64并流动通过阀106，在该处流体被导引以继续沿回路104和回路102流动。回路104中的流体流动穿过热交换器116、通过泵118并返回至热交换器64。被引导至回路102的流体流动通过泵112、通过电池50并至阀108，在该处流体被引导以与回路104中流体的其它部分混合并流动通过加热器64。基于系统100中希望的流量，可以运转泵112、118中的一个或两个来循环流体。如果一个泵当前没有运转，可以命令它凭惯性运转，或者可以驱动旁通阀调节，使得最低限度影响流体的流动。
[0045]在一些实施例中，阀106、108可以是定向控制流体并且还测量流体的阀门。阀106、108可以是三通阀门。可以命令阀106、108在回路102、104之间提供可变流量。通过改变阀门配置，可以控制回路102、104之间流体流动的比例。例如，如果流出加热器64的混合流体是100CFM(立方英尺每分钟)，可以控制阀106使得所有流体流向回路104而没有流体至回路102 (例如分离的回路102、104)。可以控制阀106使得一定百分比的流体流向回路104，而剩下的流体流向回路102。例如，在系统中流出加热器64的流量是100CFM，可以控制阀106、108使得通过阀106使得回路102具有零CFM引导至它而100CFM在回路104中循环。可替代地，可以控制阀106、108使得回路102具有50CFM并且回路104具有50CFM ；回路102具有10CFM而回路104具有90CFM，回路102具有80CFM而回路104具有20CFM等。这些值仅出于示例的目的，并且可预想还有用于混合流量的其它值以及回路102、104之间其它的流体比例。通过命令泵112、118可以改变流体流量以产生不同的流量，即静液力泵的情况下不同的转速。
[0046]还可预想用于系统100的其它实施例和配置。例如，可以设置电池热回路和HVAC回路使得液体不能从一个回路流到另一个。两个回路可以流动通过共用加热器中独立的通道而加热一个或两个回路中的流体。在另一个示例中，加热器可以主要设置在电池热回路中，具有允许来自HVAC回路的流体流动通过电池回路中的加热器的阀门调节设置。这些示例是非限制性的并且代表本发明的多个配置和实施。
[0047]参考图3，根据实施例流程图说明使用系统100的方法。在150处控制器110探测多个车辆状态输入，包括电池50的温度、车厢温度、环境温度、电池荷电、充电中和未充电的状态、用户请求以及来自车辆控制器26或其它车辆系统的车辆状态输入。在152处如果电池温度高于阈值上限，控制器110前进至154并将回路102、104彼此分离，并运转制冷机114和泵112以冷却电池50。控制器110然后前进至156并确定针对热交换器116是否请求用于HVAC系统的加热。在156处如果存在加热的请求，那么在158处控制器110运转加热器64和泵118以加热和循环回路104中的流体。使用阀106、108将回路102、104彼此分离，并且在回路之间不传输流体。
[0048]在152处如果电池温度不高于温度阈值上限，控制器110前进至160以确定电池温度是否低于温度阈值下限。在160处如果电池温度不低于温度阈值下限，控制器110前进至156并确定针对热交换器116是否请求用于HVAC系统的加热。在156处如果存在加热的请求，在158处控制器110运转加热器64和泵118以加热和循环回路104中的流体。此时使用阀106、108将回路102、104彼此分离，并且在回路之间不传输流体。
[0049]在160处如果电池温度低于温度阈值下限，控制器110前进至162并确定是否还存在车厢加热或者HVAC系统加热的请求。在162处如果不存在用于车厢加热的请求，控制器110前进至164并驱动阀106、108以设置加热器64与电池回路102流体连通，并实际上停用回路104。控制器110运转加热器64和泵112以加热电池50。
[0050]在162处如果存在车厢加热的请求，控制器前进至166并驱动106、108以合并回路102、104使得流体流动并且可以在回路102、104之间混合。控制器110运转加热器64和泵112、118中的至少一个以加热电池50并提供热量至热交换器116。在168处控制器110可基于电池50和热交换器116希望的加热量和/或速率而调节阀门位置将回路102、104之间的流体流动按比例分为不同程度。
[0051]这样，根据本发明的多个实施例提供单个加热器来加热电池并用作HVAC系统的加热源，这减少了车载加热器的数量并提供较高的可能功率以满足极端低温期间牵引电池的加热需求。电池热回路和HVAC热回路之间的阀门装置允许控制电池和HVAC系统的热交换器之间的热量传输。例如，可以基于车辆状态和任何用户输入而控制阀门装置在两个回路之间可变或混合加热。
[0052]虽然上文描述了示例实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本发明所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语为描述性词语而非限定，并且应理解可作出各种改变而不脱离本发明的精神和范围。此外，可组合多个执行实施例的特征以形成没有明确描述或说明的进一步的实施例。已经对一个或多个希望的特征描述了提供优点的或优于其它实施例和/或现有技术的一个或多个实施例，本【技术领域】中的普通技术人员应理解可在多个特性中作出折中以实现希望的系统属性，该属性可取决于具体的应用或实施。这些属性包括但不限于:成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、装配的便利性等。这样，对于一个或多个特性描述的可取性低于其它实施例的任何实施例没有在权利要求主体的范围之外。
【权利要求】
1.一种车辆，包含: 电热源； 被配置为用于选择性地热连接至所述电热源的热交换器；以及 被配置为用于选择性地热连接至所述电热源的牵引电池系统。
2.根据权利要求1所述的车辆，进一步包含与所述电热源和所述热交换器流体连通的第一热回路。
3.根据权利要求2所述的车辆，进一步包含与所述电池流体连通并与所述电热源选择性流体连通的第二热回路，其中所述第二热回路与所述第一热回路选择性流体连通。
4.根据权利要求3所述的车辆，进一步包含连接所述第一热回路和第二热回路的阀门>j-U ρ?α装直。
5.根据权利要求4所述的车辆，进一步包含被配置为用于控制阀门装置使得热量提供至所述热交换器和所述牵引电池中至少一者的控制器。
6.根据权利要求5所述的车辆，其特征在于，所述控制器被配置为用于控制阀门装置使得提供至所述热交换器的热量的量独立于提供至所述牵引电池的热量的量。
7.根据权利要求5所述的车辆，其特征在于，所述控制器被配置为用于基于所述车辆的状态而控制所述阀门装置。
8.根据权利要求7所 述的车辆，其特征在于，所述状态是未充电、充电中和行驶中的一者。
9.根据权利要求1所述的车辆，其特征在于，所述电热源是正温度系数加热器。
10.一种控制电池电动车辆的方法，包含: 探测车辆状态输入； 运转电加热器以加热流体；以及 响应于探测的所述车辆状态输入而驱动阀门装置以提供所述流体通过第一流体管道至牵引电池和通过第二流体管道至热交换器中的至少一者。
【文档编号】B60H1/22GK103660968SQ201310271970
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年7月1日 优先权日:2012年9月12日
【发明者】约瑟夫·F·斯塔奈克, 布莱恩·吉拉斯培, 肯尼斯·J·杰克逊, 马克·G·史密斯, 斯科特·沃杰特科伊斯, 安迪·库默尔, 克里斯多夫·亚当·奥乔奇恩斯基 申请人:福特全球技术公司