电动车辆的热管理系统的制作方法

电动车辆的热管理系统
1.相关申请的交叉引用
2.本实用专利申请要求于2019年11月7日提交的美国申请序列号62/931,903的优先权，这两者通过援引并入本文。


背景技术：

3.动力运动车辆，例如全地形车(at vs)、个人水上交通工具(pwc)和雪地摩托车持续流行。由于其更安静、更清洁、更高效的动力驱动系统，电动动力运动车辆为由传统内燃机驱动的动力运动车辆提供了替代方案。
附图说明
4.图1总体上示出了根据本公开的一个示例的包括热管理系统的电动动力运动车辆。
5.图2是示出根据本公开的一个示例的热管理系统的框图和示意图。
6.图3是示出根据本公开的一个示例的在主动电池加热模式下工作的热管理系统的框图和示意图。
7.图4是示出根据本公开的一个示例的在被动电池加热模式下工作的热管理系统的框图和示意图。
8.图5是示出根据本公开的一个示例在完全冷却模式下工作的热管理系统的框图和示意图。
9.图6是示出根据本公开的热管理系统的示例操作的流程图。
10.图7是示出根据本公开的热管理系统的示例操作的流程图。
11.图8是示出根据本公开的一个示例的热管理系统的框图和示意图。
具体实施方式
12.在下面的详细描述中，参考了构成本文一部分的附图，在附图中以说明的方式展示了可实施本公开的特定示例。应该理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他的示例，也可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下的详细描述并不具有限制性，本公开的范围由所附的权利要求书来界定。应该理解的是，除非特别另外指出，本文描述的各种实施例的特征可以部分或全部相互结合。
13.动力运动车辆，例如全地形车(atv)、个人水上交通工具(pwc)和雪地摩托车持续流行。传统上，此类动力运动车辆由内燃机驱动，内燃机排放的废气(例如，二氧化碳和一氧化二氮)导致温室气体和其他形式的污染，并且在某些工作条件下产生高噪音水平。
14.因此，电动动力运动车辆代表了内燃机驱动的动力运动车辆的有希望的替代方案。采用电动动力总成的动力运动车辆比采用内燃机的传统动力运动车辆更安静、更清洁，也更节能。然而，为了取得成功，电动动力运动车辆需要满足客户在性能、续航、可靠性和成本方面的期望。
15.电动动力运动车辆的典型电动动力总成包括电池系统、一个或多个带有相应电子马达驱动器的电动马达，以及各种辅助系统。与汽车不同的是，动力运动车辆经常在"全油门"下长时间运行。然而，当以高放电率运行时，电池会产生大量的热量。虽然提高工作温度可以以提高功率输出的形式改善电池的性能，但高温工作有可能造成损害，减少电池寿命。相反，在低温下工作时，电池的功率输出会下降。因此，为了优化电池的性能和寿命，期望在最佳工作温度范围内操作电池。
16.对于电动车辆，已经开发了基于液体的传热系统(例如，基于乙二醇的系统)，以提供对电动动力总成的部件(包括电池)的热管理。然而，这种系统通常包括具有大量控制阀和多个热交换器的复杂管道系统。虽然这种系统在管理动力总成部件的热负荷方面是有效的，但其复杂、昂贵、重，使其不适合用于电动动力运动车辆。虽然基于液体的传热系统已被用于电动动力运动车辆，以提供对马达和相应的电子控制器的热管理，但电池系统传统上是风冷的，这大大降低了传热系统和电池系统的复杂性，并能使用市售的通用电池模块。
17.如本文所述，公开了一种用于电动动力运动车辆的基于液体的热管理系统(tms)。在示例中，tms采用泵、加热器、热交换器和采用一对三通阀的管道系统，其中每个三通阀可根据动力总成部件的温度进行控制，以提供若干不同的循环路径(或循环回路)，以实现不同的操作模式，包括主动电池加热模式、被动电池加热模式(与马达/控制器的冷却相结合)和主动系统冷却模式(包括电池和马达/控制器的冷却)。根据本公开内容，tms在广泛的环境温度范围内将电池保持在可接受的工作温度范围内，将马达/控制器保持在目标温度范围内，同时为轻量化的，从而使相应的电动动力运动车辆在广泛的条件下具有可接受的性能，以满足消费者的期望。
18.图1是总体示出电动车辆10的图，其中可以采用符合本公开内容的tms。在一个示例中，电动动力运动车辆10是电动动力运动车辆，例如图1所示的个人水上交通工具(pwc)。尽管电动动力运动车辆10被示出为个人水上交通工具(pwc)，但在其他情况下，tms可被用于任何数量的电动动力运动车辆，例如雪地摩托车和全地形车。在一个示例中，车辆10包括电动动力总成12，包括具有相应电子马达控制器16的至少一个马达14和电池系统18。车辆10进一步包括tms20，根据本技术，tms用于电动动力总成12的热管理，这将在下面更详细地描述。
19.图2是示出例如由图1的pwc 10采用的、与电动动力总成12的部件有关的tms 20的示例性实施方案的框图和示意图。在一个示例中，电池系统18包括电池组22，电池组包括若干电池模块24，图示为电池模块1至n，其中每个电池模块24包括若干电池单元26，图示为电池单元1至m。在示例中，每个电池模块26的电池单元24彼此电连接，其中电池模块26进而彼此电连接以形成电池组22。在一个示例中，每个电池单元24包括锂离子电池单元，但是可以采用任何数量的其他合适的电池化学组分和配置。
20.在一个示例中，电池系统18包括电池管理系统30，包括电池监测单元32和若干温度传感器34，用于监测每个电池模块24的电池单元26的工作温度。在一个示例中，温度传感器34包括用于每个电池模块24的每个电池单元26的至少一个温度传感器。在其他示例中，温度传感器34可以包括比针对每个电池单元26具有一个温度传感器的情况更少的温度传感器。在示例中，除了通过温度传感器34监测电池模块24的电池单元26的温度外，电池监测单元32还监测电池组22的其他工作条件和参数，仅举几例，例如每个电池单元26的电压、电
流和电量。
21.在一个示例中，如图所示，tms 20包括具有输入端口(入)和输出端口(出)的泵40、电加热器42和热交换器44。在示例中，热交换器44可以是流体-空气的热交换器(例如，当用于atv中时)、流体-流体的热交换器(例如，当用于pwc中时)、以及流体-雪的热交换器(例如，当用于雪地摩托车中时)。可以采用任何合适类型的轻质量的热交换器。tms 20进一步包括：第一可控三通阀(v1)50，其具有输入端口i1和两个阀位(或输出端口)p1和p2；以及第二可控三通阀(v2)52，其具有输入端口i1和两个阀位(或输出端口)p1和p2。在示例中，第一阀v1 50可被称为"电池旁路阀"，第二阀v2可被称为"冷却旁路阀"。
22.流体通道系统60将泵40、加热器42、热交换器44以及第一和第二阀v1 50和v2 52相互连接，其中第一和第二阀v1 50和v2 52的位置可控，以形成若干流动路径(或循环回路)，以用于将传热流体(例如，基于乙二醇的流体，但是可以采用任何数量的合适的传热流体)通过马达14、马达控制器16和电池组22进行流通，以根据tms 20的一些不同的操作模式将热量传递至上述马达、马达控制器和电池组和/或从上述马达、马达控制器和电池组移除热量，这些操作模式可以在电动动力运动车辆10的操作期间选择。需要注意的是，可以由tms 20冷却一个以上的马达14和相应的控制器16。
23.在一个示例中，流体通道系统60包括一些管道，其中这种管道可以由任何合适的材料(例如，塑料、铜、铝)制成。在一个示例中，如图所示，管道61在第一阀v1的输出端口p1和加热器42之间提供流体流通路径，管道62a在加热器42和电池组22之间提供流体流通路径，以及管道62b在电池组22和第二阀v2的输入端口i1之间提供流体流通路径，其中管道62a和62b分别作为用于通过电池组22流通传热流体的输入和输出路径。
24.在一个示例中，例如由电池模块管道布置63a和63b所示出的，用于通过电池模块24流通流体的管道布置与每个电池模块24是一体的，其中输入和输出管道62a和62b联接到一体的电池模块管道布置63a和63b。在其他情况下，电池模块管道布置63a和63b可以与电池模块24分开。在其他情况下，电池模块管道布置63a和63b的某些部分可以与电池模块24一体，而某些部分可以与电池模块24分开。在某些情况下，如图所示，电池模块管道布置63a和63b被实施以在相邻的电池单元26的对之间流通流体。在一些示例中(本文没有示出)，电池模块管道布置63a和63b包括设置在每对电池单元26之间的传热板，其中传热流体通过传热板循环，将热量传递到相邻的电池单元26/从相邻的电池单元传递。
25.在一个示例中，管道63a从第二阀v2的第一输出端口p1和管道三通64延伸，并且管道63b从三通64通过马达14和马达控制器16延伸到热交换器44。管道65a从热交换器44延伸到管道三通66，管道65b从管道三通66延伸到泵40的输入端口。管道67在泵40的输出端口和第一可控阀v1 50的输入端口i1之间延伸。管道68在第二可控阀v2 52的第二输出端口p2和靠近泵40的输入端口的管道三通66之间形成流体通道，管道69在第一可控阀v1 50的第二输出端口p2和第二阀52与马达14之间的管道三通64之间形成流体通道。
26.在一个示例中，热管理系统20进一步包括热控制系统80，包括热控制单元82和温度传感器84和86以分别提供马达14和马达控制器16的工作温度。在一个示例中，热控制单元82通过信号线87a和87b接收来自马达温度传感器84和控制器温度传感器86的温度信号，并通过信号线87c接收来自电池监测单元32的加热/冷却请求(如下文将更详细地描述，例如，见图6)。在一个示例中，热控制单元82分别通过控制线88a和88b控制第一和第二可控阀
50和52的操作(例如，阀50和52的位置)，通过控制线88c控制泵40的操作，并通过控制线88d控制加热器42的操作。在一些示例中，电池管理系统30可以与热控制系统80分开。在其他示例中，电池管理系统30的全部或部分可以被包括作为热控制系统80的一部分。
27.正如下文将更详细地描述的，基于由马达温度传感器84和控制器温度传感器86提供的马达14和电子马达控制器16的工作温度，以及基于来自电池管理系统30的加热和冷却请求(其基于由电池单元温度传感器34提供的电池单元26的温度，以及电池单元26的电量水平，例如，见图6)，热控制单元82控制泵40的操作(例如，开/关)、加热器42的操作(例如，开/关)、以及第一和第二可控阀v1 50和v2 52的位置，以提供各种工作模式(例如，加热和冷却模式)，以控制马达14、电子马达控制器16和电池组22的工作温度，以保持这些温度在可接受的水平。
28.在示例中，如下文所述，热管理系统20包括主动电池加热模式(见图3)、被动电池加热模式(见图4)，以及完全冷却模式(见图5)。还需注意，热管理系统20包括待机操作模式，如可由图2示出的那样，其中泵40和加热器42停用，并且没有传热流体通过流体通道60被循环。
29.参照图3，在一个示例中，热管理系统20通过激活泵40和加热器42、通过将可控阀v1 50切换到第一位置以将传热流体从输入端口i1导向第一输出端口p1、以及通过将可控阀v2 52切换到第二位置以将传热流体从输入端口i1导向第二输出端口p2来配置流体通道60以形成通过电池组22的加热的传热流体的循环回路90，来提供主动电池加热模式。在主动电池加热模式下，加热的传热液体由泵40通过循环回路90经由加热器42通过电池组22进行循环，以加热电池组22，同时绕过马达14、电子马达控制器16和热交换器44。在一个示例中，如图所示，在主动电池加热模式下，管段61、62a、62b、68、65b和67(以及电池组22的内部管道)被用来形成循环回路90以循环传热流体(如粗线和方向箭头所示)，而管段63a、63b、65a和69被绕过(如虚线所示)。
30.参照图4，在一个示例中，热管理系统20通过激活泵40、通过将可控阀v1 50切换到第一位置以将传热流体从输入端口i1引导到第二输出端口p2、以及通过将可控阀v2 52切换到关闭位置以配置流体通道60以形成循环回路92以使传热流体通过马达14、电子马达控制器16和热交换器44循环，提供被动电池加热模式(或主动马达冷却模式)。在被动电池加热模式中，加热器42被停用，电池组22被绕过，从而使得电池组22通过电池单元放电被动地升温，而马达12和电子马达控制器16通过穿过热交换器44循环传热流体而被冷却。在一个示例中，如图所示，在被动电池加热模式下，管段67、69、63b、65a和65b被用来形成循环回路92以循环传热流体(如粗线和方向箭头所示)，而管段61、62a、62b、63a和68被绕过(如虚线所示)。
31.参照图5，在一个示例中，热管理系统20通过激活泵40、通过将可控阀v1 50切换到第一位置以从输入端口i1到第二输出端口p1引导传热流体、以及通过将可控阀v2 52切换到第一位置以从输入端口i1到第二输出端口p2引导传热流体来配置流体通道60以形成循环回路94以使传热流体通过电池组22、马达14、电子马达控制器16和热交换器44循环，提供操作的完全冷却模式。在完全冷却模式下，加热器42被停用，从而使得电池组22、马达12和电子马达控制器16通过循环传热液体通过热交换器44来被冷却。在一个示例中，如图所示，在主动冷却模式下，管段67、61、62a、62b、63a、63b、65a和65b(以及电池组22内部的管道)被
用来形成循环回路94以循环传热流体(如粗线和方向箭头所示)，而管段68和69被绕过(如虚线所示)。
32.图6是总体示出根据本公开的一个示例用于操作热管理系统、例如tms 20的方法100的流程图。特别是，方法100示出了用于确定电池组22的加热请求或冷却请求的启动的示例。根据示例，方法100可由电池管理系统30执行，其中，如上所述，电池管理系统30的部分可实施为热控制系统80的一部分。
33.方法100在102处开始。在104处，方法100确定电池组22的电量状态。在一个示例中，为了确定电池组22的电量状态，对于电池组22的每个电池模块24的每个电池单元26确定电量状态。在一个示例中，每个电池单元26的电量状态由电池管理单元32通过监测每个电池单元的电压和电流水平来确定，以确定剩余安培小时数。在其他示例中，可以采用其他合适的技术来测量电池组22的电量状态。在一个示例中，电池管理单元32确定每个电池模块24的每个电池单元26的电量状态。在另外的情况下，电池管理单元32确定每个电池模块24内的一个或多个电池单元26的组的平均电量状态。在其他示例中，电池管理单元32确定每个电池模块24的电量状态，其中这种电量状态是每个相应电池单元26的电量状态的平均值。在其他示例中，电池管理单元32通过确定每个电池模块24的平均电量状态来确定电池组22的电量状态。
34.在106处，方法100确定电池组22的温度。在一个示例中，如图所示，为了确定电池组22的温度，对于电池组22的每个电池模块24的每个电池单元26确定温度，例如通过温度传感器34。在一个示例中，温度传感器34包括用于每个电池模块24的每个电池单元26的至少一个温度传感器。在一个示例中，电池管理单元32测量每个单独电池单元24的温度。在另外的情况下，电池管理单元可以确定每个电池模块24的一个或多个电池单元26的组的平均温度。在另外的示例中，电池管理单元32可以确定每个电池模块24的温度，其中这种温度是每个相应电池单元26的温度的平均值。在另外的情况下，电池组22的温度是根据每个电池模块24的温度的平均值来确定的。
35.在108处，方法100查询电池组22的温度是否小于最小阈值温度。在一个示例中，如图所示，方法100查询电池组22内的任何电池单元26的温度是否小于最小阈值温度。在一个示例中，这种最小阈值温度是10摄氏度。在其他情况下，可以采用任何合适的最小阈值温度。在一个示例中，代替确定任何电池单元26的温度是否低于最小阈值温度，将每个电池模块24的温度(例如，相应电池单元26的平均温度)与最小阈值温度进行比较。在其他示例中，代替确定任何电池单元26的温度是否低于最小阈值温度，将每个电池组22的温度(例如，电池组22内所有电池单元26的平均温度)与最小阈值温度进行比较。
36.如果在108处对查询的回答为是，则意味着至少一个电池单元的温度小于最小阈值温度，则方法100进行到110，其中，在一个示例中，将每个电池单元26的电量状态与最小阈值电量状态进行比较。与上述关于电池单元温度的描述类似，在一些示例中，不是将每个电池单元26的电量状态与最小阈值电量状态进行比较，而是将每个电池模块24的平均电量状态与最小阈值电量状态进行比较，或将电池组22的平均电量状态与最小阈值电量的值进行比较。在一个示例中，最小的电量状态是完全电量状态的5％。在其他情况下，可以采用用于电量状态的任何合适的值。
37.如果在110处对查询的回答为是，则意味着每个电池单元的电量状态(或者在其他
示例中，每个电池模块24或电池组22的电量)大于最小阈值电量的值，则方法100进行到112，其中电池管理单元32向热控制单元82发出电池加热请求(见图7)。如果在110处对查询的回答为否，则意味着至少一个电池单元26的电量状态(或在其他示例中，任何电池模块24或电池组22的电量状态)小于最小阈值电量的值，方法100返回到102。换句话说，在一个示例中，如图所示，在低温和低电量状态条件下，不发出电池加热请求，以避免在低温下过度放电。
38.在一个示例中，方法100可以选择性地包括在114处的查询，以确定电池是否被连接到充电器。如果在114处对该查询的回答为是，则意味着电池被连接到充电器，则方法100继续进行到116，其中发出加热请求。在这种条件下，电池可以通过从充电器吸取外部电源来避免在低温下过度放电。如果对114处的查询的回答为否，则意味着电池不被连接到充电器，方法100就会继续进行到102。
39.如果在108处的查询的答案为否，则意味着每个电池单元26的温度大于最小阈值温度，则方法100进行到116。在116处，方法100查询电池组22内的任何电池单元26的温度(或者，在其他示例中，任何电池模块24或电池组22的温度)是否大于最大阈值温度。在一个示例中，这种最大阈值温度是40摄氏度。在其他情况下，可以采用任何合适的最大阈值温度。如果116处查询的答案为是，则方法100继续进行到118处。
40.如果在116处查询的答案为是，意味着至少一个电池单元的温度(或者在其他示例中，任何电池模块24的温度或电池组22的温度)大于最大阈值温度，则方法100继续进行到112，其中电池管理单元32向热控制单元82发出电池冷却请求(见图7)。如果在116处查询的答案为否，即每个电池单元的温度(或在其他示例中，每个电池模块24或电池组22的温度)小于最大阈值温度，则方法100返回到102，以继续监测电池组22的工作状态。
41.图7是总体上示出根据本公开的一个示例的操作热管理系统(例如tms 20)的方法130的流程图。方法130在132处开始。在134处，查询是否已发出电池加热请求(例如，见图6中的112)。如果已经发出了加热请求，方法130继续进行到136，在那里查询是否存在"次级部件"临界冷却请求条件。如本文所用，术语"次级部件"是指除电池组22以外的动力总成12的部件，例如马达12、电子马达控制器14和其他电子设备。在一个示例中，如果任何次级部件的温度超过临界冷却阈值温度(也被称为热削减温度)，则存在次级部件临界冷却请求条件。在一个示例中，这样的热削减温度可以是100摄氏度。在其他示例中，可以采用其他合适的热削减温度值。在示例中，通过相应的温度传感器84和86为马达14和电子马达控制器16提供次级部件的温度。
42.如果在136处对查询的回答为否，则意味着没有提出次级部件临界冷却请求，则方法130进行到138，其中温度控制单元82启动热管理系统12的主动电池加热操作模式，例如由图3示出的那样。然后，电池组22通过传热流体(该传热流体由加热器42加热)例如经由通过循环回路90的循环，直到电池组22的温度达到在期望的工作温度范围内的期望的温度值(例如，在最小和最大电池阈值温度之间)或直到出现次级部件临界冷却请求，而被主动加热。需要注意的是，一般来说，电池组22将在次级部件加热到临界冷却阈值温度之前被加热到理想的工作温度，特别是当电动动力运动车辆10在寒冷的天气气候下工作时。
43.如果在136处的查询的回答为是，意味着已经提出了次级部件临界请求(即，至少一个次级部件处于临界冷却温度)，则方法130进行到140，其中温度控制单元82启动热管理
系统12的被动电池加热工作模式，例如由图4示出的那样。在示例中，当在被动电池加热模式下工作时，电池组22被绕过，从而电池组22由工作期间产生的热能被动地加热，并且次级部件(例如马达14和电子马达控制器16)通过经由热交换器44将传热流体循环通过其中(例如通过循环经过循环回路92)而被冷却。
44.如果在134处的查询的回答为否，则意味着没有发出电池加热请求，则方法130继续进行到142处，其中查询电池管理单元32是否已经发出电池冷却请求(见图6中的118)。如果在142处对查询的回答为是，则意味着已经发出了电池冷却请求，则方法130继续进行到144处，其中温度控制单元82启动热管理系统12的完全冷却操作模式，如图5所示。然后，如经由通过循环回路94的循环，通过穿过电池组22循环传热液体，并使传热液体通过热交换器44，同时也冷却次级部件(如马达14和电子马达控制器16)，对电池组22进行冷却。
45.如果在142处对查询的回答为否，即没有发出电池冷却请求，则方法130继续进行到146。在146处，方法130查询是否存在次级部件冷却请求条件。这种请求类似于在136处描述的请求，只是相应的冷却温度阈值小于临界冷却温度阈值。在一个示例中，冷却阈值温度可以是60摄氏度。在其他示例中，可以采用其他合适的冷却阈值温度值，如70摄氏度。
46.如果在146处对查询的回答为是，则方法130继续进行到140，其中热控制单元82启动被动电池加热操作模式(见图4)，据此，次级部件(例如马达14和电子控制器16)被冷却，而电池组22被绕过。如果对146处查询的回答为否，则方法130继续进行到148处，其中热控制单元82启动热管理系统20的待机操作模式，如图2所示，其中没有传热流体由泵40循环。
47.图8是根据本公开的一个示例，总体示出tms 20的框图和示意图。在其他实施方案中，如图8所示，tms 20可以用一些类型的阀和不同于图2-5所阐述的流体通道配置来实施。在替代示例中，tms 20可以用专门的管道系统来实现，用于电池组12的加热/冷却和次级部件(如马达14和马达控制器16)的冷却，在一些示例中，这种专门的管道系统共享泵40和热交换器44。
48.在一个替代实施方案中，如图8所示，tms包括可控阀va和vb以控制电池组22的加热和冷却，以及阀vc和vd以控制次级部件(例如电动马达14和电子马达控制器16)的冷却。例如，在一种情况下，阀vc和vd关闭，而阀va打开，阀vb被定位成通过输出端口p2引导流量，以便在加热器42被激活时形成加热循环回路140。在另一种情况下，阀va和vb关闭，而阀vc和vc打开，以通过热交换器44形成次级部件冷却循环回路142，从而使得马达14和马达控制器16被冷却，而电池组22被绕过，并且因此能够实现被动加热。在另一种情况下，阀vc和vd被关闭，而阀va被打开，阀vb被定位成通过输出端口p1引导流量，以便形成通过每个交换器44的电池组冷却循环回路144。在另一种情况下，电池冷却循环回路144和次级部件冷却循环回路142可以同时操作。
49.在本公开的范围内可以采用任何数量的替代的阀和管道配置，这些配置共享泵40、泵42和热交换器44，并且可以通过电池管理系统30和热控制系统80进行控制，以形成用于电池组22和各种次级部件(包括马达14和马达控制器16)的热管理的冷却和加热循环回路。
50.尽管本文已经示出和描述了具体的示例，但在不脱离本公开的范围的情况下，可以用各种替代的和/或等效的实施方式来替代所示出和描述的具体示例。本技术旨在涵盖本文讨论的具体示例的任何调整或变化。因此，本技术的目的是使本公开内容仅受权利要
求书及其等同物的限制。