用于车辆的集成热管理系统的制作方法

1.本公开大体上涉及汽车领域。更具体地，本公开涉及一种用于例如电动车辆(ev)的车辆的集成热管理系统(itms)。


背景技术：

2.驾驶室气候控制、能量储存系统(ess)(即，电池)的管理以及电力电子器件的冷却通常以有限的集成程度在ev中的常规架构中处理。此类常规架构产生非常低效率的系统，并且在某些操作条件下可能构成挑战。
3.本背景仅作为说明性环境背景提供，并且不应被解释为以任何方式进行限制。本公开的原理可以同等地应用于其它环境背景中。


技术实现要素：

4.本公开提供这样的itms以更有效和整体方式管理驾驶室、ess和电力电子器件之间的能量传递，由此使得成本竞争和综合模式能够处理变化的操作条件并有效地使用热泵。本公开的itms利用多端口阀组件，例如具有三个入口和三个出口的六端口阀组件或各自具有两个入口和两个出口的两个四端口阀组件，选择性地互连驾驶室热管理回路、ess热管理回路和电力电子器件回路。
5.在一个说明性实施例中，本公开提供一种用于车辆的集成热管理系统，包括：驾驶室热管理回路；能量储存系统热管理回路；电力电子器件热管理回路；以及多端口阀组件，所述多端口阀组件联接到所述驾驶室热管理回路、所述能量储存系统热管理回路和所述电力电子器件热管理回路，并且适于响应于所述车辆的操作状态而选择性地彼此隔离和联接所述驾驶室热管理回路、所述能量储存系统热管理回路和所述电力电子器件热管理回路。
6.在另一个说明性实施例中，本公开提供一种用于车辆的集成热管理方法，包括：响应于所述车辆的操作状态，使用多端口阀组件，选择性地彼此隔离和联接所述车辆的驾驶室热管理回路、所述车辆的能量储存系统热管理回路和所述车辆的电力电子器件热管理回路，所述多端口阀组件联接到所述驾驶室热管理回路、所述能量储存系统热管理回路和所述电力电子器件热管理回路。
7.在另一示例性实施例中，本公开提供一种存储在存储器中并且由处理器执行以执行集成热管理方法步骤的非暂时性计算机可读介质，包括：响应于车辆的操作状态，使用多端口阀组件，选择性地彼此隔离和联接所述车辆的驾驶室热管理回路、所述车辆的能量储存系统热管理回路和所述车辆的电力电子器件热管理回路，所述多端口阀组件联接到所述驾驶室热管理回路、所述能量储存系统热管理回路和所述电力电子器件热管理回路。
8.响应于所述车辆的操作状态，所述多端口阀组件在以下模式之一中操作：第一模式，所述第一模式将所述驾驶室热管理回路、所述能量储存系统热管理回路和所述电力电子器件热管理回路彼此隔离；第二模式，所述第二模式隔离所述驾驶室热管理回路，并且将所述能量储存系统热管理回路和所述电力电子器件热管理回路彼此联接；第三模式，所述
第三模式将所述驾驶室热管理回路和所述能量储存系统热管理回路彼此联接，并且隔离所述电力电子器件热管理回路；第四模式，所述第四模式将所述驾驶室热管理回路、所述能量储存系统热管理回路和所述电力电子器件热管理回路彼此联接；以及第五模式(这是第四模式的特定实施例)，所述第五模式将所述驾驶室热管理回路、所述能量储存系统热管理回路和所述电力电子器件热管理回路彼此联接，其中，所述能量储存系统热管理回路包括冷却器，所述驾驶室热管理回路包括水冷式冷凝器，所述集成热管理系统是热泵系统的一部分。
附图说明
9.本文中参考各种附图来说明和描述本公开，其中适当地使用相同的附图标记来表示类似的系统部件/方法步骤，并且其中：
10.图1是利用具有三个入口和三个出口的六端口阀组件的本公开的itms的一个说明性实施例的示意图；
11.图2是图1的具有三个入口和三个出口的六端口阀组件的各种操作模式的一系列示意图；
12.图3是利用各自具有两个入口和两个出口的两个四端口阀组件的本公开的itms的另一说明性实施例的示意图；
13.图4是各自具有图3的两个入口和两个出口的两个四端口阀组件的各种操作模式的一系列示意图；
14.图5是示出本公开的itms的隔离操作模式的示意图；
15.图6是示出本公开的itms的ess/电力电子器件互连操作模式的示意图；
16.图7是示出本公开的itms的驾驶室/ess互连操作模式的示意图；
17.图8是示出本公开的itms的驾驶室/ess/电力电子器件互连操作模式的示意图；
18.图9是示出本公开的itms的驾驶室/ess/电力电子器件互连操作模式的一个实施例的示意图；
19.图10是与图9的驾驶室/ess/电力电子器件互连操作模式的实施例相关联的压力与焓的热力学图；
20.图11是本公开的电力电子电路的一个说明性实施例的示意图；
21.图12是本公开的电力电子电路的另一个说明性实施例的示意图；以及
22.图13是可以与本公开的itms结合使用的控制系统的框图。
具体实施方式
23.此外，在ev中的常规架构中，通常以有限的集成程度来处理驾驶室气候控制、ess(即电池)的管理以及电力电子器件的冷却。例如，驾驶室加热通常由独立的高压电加热器提供，该加热器没有能力利用来自ess或电力电子器件的热；电池加热通常由专用电加热器或电力电子器件(例如，通过低效运行电动机)提供，没有能力利用来自驾驶室制冷剂系统的热；电力电子器件只能经由散热器由空气冷却，不经由冷却器由驾驶室制冷剂系统冷却。此类常规架构产生非常低效率的系统，并且在某些操作条件下可能带来挑战，例如，在极冷的环境条件(低于-20℃)下或在电力电子器件可能变热且需要高负荷冷却的越野操作期间
对电池充电。随着车辆电气化的迅速发展，期望itms以整体方式管理驾驶室、ess和电力电子器件之间的能量传递，以提高效率和能力。
24.本公开提供了一种itms，其以更有效和整体方式管理驾驶室、ess和电力电子器件之间的能量传递，由此使得成本竞争和综合模式能够处理变化的操作条件并有效地使用热泵。本公开的itms利用多端口阀组件，例如具有三个入口和三个出口的六端口阀组件或各自具有两个入口和两个出口的两个四端口阀组件，选择性地互连驾驶室热管理回路、ess热管理回路和电力电子器件回路。
25.现在具体参考图1，在一个说明性实施例中，本公开的itms 10包括三个选择性互连的热管理回路：驾驶室热管理回路20、ess热管理回路30和电力电子器件回路40。这些热管理回路由多端口阀组件50选择性地互连，所述多端口阀组件包括具有三个入口a、d和e以及三个出口c、b和f的六端口阀组件。
26.驾驶室热管理回路20大体上包括：例如热源22的加热组件，该加热组件可包括冷却剂加热器、水冷式冷凝器、高温热存储单元或上述源中的两个或更多个的组合；以及例如热交换器24的加热组件，该加热组件可包括与内燃发动机(ice)常规相关联的加热器核心。还提供了泵组件26。热源22、热交换器24和泵组件26共同可操作以用于控制与车辆的驾驶室相关联的环境。
27.ess热管理回路30大体上包括ess 32，例如电池或电池组，以及冷源34，例如冷却器或低温热存储单元。还提供了泵组件36。ess 32、冷源34和泵组件36共同可操作以用于控制与ess 32相关联的环境。
28.电力电子器件热管理回路40大体上包括电力电子器件42(例如电机、逆变器/变换器、传感器、控制系统、其它接口电子器件)和常规与ice相关联的散热器44。还提供了泵组件46。电力电子器件42、散热器44和泵组件46共同可操作以用于控制与电力电子器件42相关联的环境。脱气组件48包括脱气瓶和相关联的软管和t形接头，该脱气瓶和相关联的软管和t形接头提供冷却剂存储和在驾驶室热管理回路20、ess热管理回路30和电力电子器件热管理回路40中的脱气功能。
29.此外，这些热管理回路由多端口阀组件50选择性地互连，所述多端口阀组件包括具有三个入口a、d和e以及三个出口c、b和f的六端口阀组件。这些入口和出口通过机械或电子手段，例如通过软件、固件和/或硬件手段选择性地启用/禁用。
30.现在具体参考图1和图2，在一个说明性实施例中，具有三个入口和三个出口的六端口阀组件50包括大体上联接在入口a与出口c之间的驾驶室热管理回路20，大体上联接在入口d与出口b之间的ess热管理回路30，以及大体上联接在入口e与出口f之间的电力电子器件热管理回路40。当然，这些入口和出口连接可以变化，并且通过选择性操作六端口阀组件50。在所示的操作模式1中，三个热管理回路彼此隔离，其中驾驶室热管理回路20仍联接在入口a与出口c之间，ess热管理回路30仍联接在入口d与出口b之间，电力电子器件热管理回路40联接在入口e与出口f之间。在示出的操作模式2中，驾驶室热管理回路20仍与ess热管理回路30和电力电子器件热管理回路40隔离，但ess热管理回路30和电力电子器件热管理回路40现在互连，其中驾驶室热管理回路20仍联接在入口a与出口c之间，ess热管理回路30现在联接在入口d和出口f之间，电力电子器件热管理回路40现在联接在入口e与出口b之间。在示出的操作模式3中，电力电子器件热管理回路40仍与驾驶室热管理回路20和ess热
管理回路30隔离，但驾驶室热管理回路20和ess热管理回路30现在互连，驾驶室热管理回路20现在联接在入口a和出口b之间，ess热管理回路30现在联接在入口d与出口c之间，电力电子器件热管理回路40仍联接在入口e与出口f之间。在所说明的操作模式4中，驾驶室热管理回路20、ess热管理回路30和电力电子器件热管理回路40现在全部互连，其中驾驶室热管理回路20现在联接在入口a与出口b之间，ess热管理回路30现在联接在入口d与出口f之间，电力电子器件热管理回路40现在联接在入口e与出口c之间。当然，其他操作模式也是可能的。
31.现在具体参考图3，在另一个说明性实施例中，本公开的itms 10再次包括三个选择性互连的热管理回路：驾驶室热管理回路20、ess热管理回路30和电力电子器件回路40。这些热管理回路由多个多端口阀组件52、54选择性地互连，所述多端口阀组件在此处各自包括具有两个入口a和d以及两个出口c和b的四端口阀组件。
32.再一次，驾驶室热管理回路20大体上包括：例如热源22的加热组件，该加热组件可包括冷却剂加热器、水冷式冷凝器、高温热存储单元或上述源中的两个或更多个的组合；以及例如热交换器24的加热组件，该加热组件可包括与内燃发动机(ice)常规相关联的加热器核心。还提供了泵组件26。热源22、热交换器24和泵组件26共同可操作以用于控制与车辆的驾驶室相关联的环境。
33.ess热管理回路30大体上包括ess 32，例如电池或电池组，以及冷源34，例如冷却器或低温热存储单元。还提供了泵组件36。ess 32、冷源34和泵组件36共同可操作以用于控制与ess 32相关联的环境。
34.电力电子器件热管理回路40大体上包括电力电子器件42(例如电机、逆变器/变换器、传感器、控制系统、其它接口电子器件)和常规与ice相关联的散热器44。还提供了泵组件46。电力电子器件42、散热器44和泵组件46共同可操作以用于控制与电力电子器件42相关联的环境。脱气组件48包括脱气瓶和相关联的软管和t形接头，该脱气瓶和相关联的软管和t形接头提供冷却剂存储和在驾驶室热管理回路20、ess热管理回路30和电力电子器件热管理回路40中的脱气功能。
35.此外，这些热管理回路由多个多端口阀组件52、54选择性地互连，该多端口阀组件在此处包括两个四端口阀组件，其各自具有两个入口a和d，以及两个出口c和b。这些入口和出口通过机械或电子手段，例如通过软件、固件和/或硬件手段选择性地启用/禁用。如图所示，一个四端口阀组件52选择性地将驾驶室热管理回路20与ess热管理回路30互连，而另一个四端口阀组件54选择性地将ess热管理回路30与电力电子器件热管理回路40互连，由此选择性地使所有三个热管理回路通过串联链接的两个四端口阀组件52、54互连。
36.现在具体参考图3和图4，在另一个说明性实施例中，具有两个入口和两个出口的一个四端口阀组件52包括大体上联接在入口a与出口c之间的驾驶室热管理回路20和大体上联接在入口d与出口b之间的ess热管理回路30。当然，这些入口和出口连接可以变化，并且通过选择性操作四端口阀组件52。具有两个入口和两个出口的另一个四端口阀组件54包括大体上联接在入口a和出口c之间的ess热管理回路30和大体上联接在入口d和出口b之间的电力电子器件热管理回路40。当然，这些入口和出口连接也可以变化，并且通过选择性操作四端口阀组件54。在所提供的说明性实施例中，两个阀组件52、54经由第一阀组件52的入口d和第二阀组件54的出口c联接。在操作中，两个阀组件52、54的入口端口和出口端口可以可变地交叉连接以互连各种热管理回路20、30、40。如图4中所示，仅作为实例，入口a可联接
到出口b，而入口d可联接到出口c。
37.现在具体参考图5，在itms 10的隔离操作模式中，驾驶室热管理回路20、ess热管理回路30和电力电子器件热管理回路40中的每一个经由多端口阀组件50的适当致动而彼此隔离，这禁止互连。此处，在车辆中，驾驶室加热可以根据乘员加热请求通过打开或关闭热源22和泵组件26来打开或关闭。ess 32处于冷源34关闭的用于温度均衡的自循环模式，或处于冷源34打开的主动冷却模式。电力电子器件42被散热器44冷却。
38.现在具体参考图6，在itms 10的ess/电力电子器件互连操作模式中，ess热管理回路30和电力电子器件热管理回路40彼此互连，但经由对多端口阀组件50的适当致动而与驾驶室热管理回路20隔离，这选择性地禁止互连。此处，在车辆中，驾驶室加热可以根据乘员加热请求通过打开或关闭热源22和泵组件26来打开或关闭。取决于操作模式，ess 32和电力电子器件可由散热器44冷却，其中主动进气格栅(ags)打开，或可经由冷源34从ess 32和电力电子器件42回收余热，其中ags关闭。
39.现在具体参考图7，在itms 10的驾驶室/ess互连操作模式中，驾驶室热管理回路20和ess热管理回路30彼此互连，但经由多端口阀组件50的适当致动而与电力电子器件热管理回路40隔离，这选择性地禁止互连。此模式可激活以利用来自热源22的热用于单独预处理ess 32，或用于预处理驾驶室和ess 32两者。
40.现在具体参考图8，在itms 10的驾驶室/ess/电力电子器件互连操作模式中，驾驶室热管理回路20、ess热管理回路30和电力电子器件热管理回路40经由多端口阀组件50的适当致动彼此互连，这选择性地实现互连。此模式可激活以现在利用来自热源22的热加上可能来自电力电子器件42的余热用于单独预处理ess 32，或用于预处理驾驶室和ess 32两者。
41.现在具体参考图9，在itms 10的驾驶室/ess/电力电子器件互连操作模式的一个实施例中，驾驶室热管理回路20、ess热管理回路30和电力电子器件热管理回路40经由多端口阀组件50的适当致动再次彼此互连，从而选择性地实现互连。此处，冷源34至少包括冷却器，热源22至少包括水冷式冷凝器(wcc)和正温度系数(ptc)电加热器，并且itms 10是热泵系统的一部分(注意，为了简单起见省略了制冷剂侧)。来自电力电子器件42的低品味热量经由冷却器34吸收，经由压缩机工作转换成高品味热量，且经由wcc排出到冷却剂回路。制冷剂循环在图10中的压力与焓的热力学图中示出。随着该过程的继续，冷却剂温度升高，冷却器中的制冷剂侧压力升高，并且压缩机功率输入增加，这继而在wcc中产生更多热量输出。因此，加热容量指数地增大。可以接合ptc加热器和/或电力电子器件以进一步增加加热容量。此模式特别适用于最大热负荷条件，例如，在-20摄氏度以下冷启动ev，以减少电池和/或驾驶室预处理时间并改善充电速率。
42.图11是本公开的电力电子电路42的一个说明性实施例的示意图。此处，电力电子电路42包括联接到dc/dc变换器64的集成逆变器60和牵引电机62，所述dc/dc变换器联接到机载充电器(obc)66。
43.图12是本公开的电力电子电路42的另一个说明性实施例的示意图。此处，电力电子电路42包括联接到dc/dc变换器64的单独的逆变器60和牵引电机/变速器62，所述dc/dc变换器联接到obc 66。逆变器60和电机/变速器62各自联接到油式热交换器68。
44.应当认识到，取决于实例，本文所述的任何技术的某些动作或事件可以不同顺序
执行，可以添加、合并或完全省略(例如，并非所有描述的动作或事件对于技术的实践是必需的)。此外，在某些实例中，动作或事件可以例如通过多线程处理、中断处理或多个处理器同时执行，而不是依序执行。
45.图13示出了控制系统100，包括处理器102，该控制系统可以用于指导本公开的itms和一个或若干阀组件的操作。处理器102是用于执行非暂时性计算机可读介质中包含的软件指令的硬件装置。处理器102可以是任何定制的或可商购获得的处理器、中央处理单元(cpu)、与服务器相关联的若干处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(呈微芯片或芯片组的形式)、或通常用于执行软件指令的任何装置。当控制系统100正在操作时，处理器102被配置成执行存储在存储器110内的软件，以将数据传送到存储器110和从存储器传送数据，并通常按照软件指令控制控制系统100的操作。i/o接口104可用于从一个或多个装置或部件接收用户输入和/或将系统输出提供至一个或多个装置或部件。
46.网络接口106可用来使控制系统100能够在诸如互联网或局域网(lan)的网络上进行通信。网络接口106可包括例如以太网卡或适配器(例如，10baset、快速以太网、千兆以太网或10gbe)或无线局域网(wlan)卡或适配器(例如，802.11a/b/g/n/ac)。网络接口106可包括地址、控制和/或数据连接，以在网络上实现适当通信。数据存储器108可用于存储数据。数据存储器108可包括易失性存储器元件(例如，随机存取存储器(ram，例如dram、sram、sdram等))、非易失性存储器元件(例如rom、硬盘驱动器、磁带、cdrom等)及其组合中的任一个。此外，数据存储器108可并有电子、磁性、光学和/或其它类型的存储介质。在一个实例中，数据存储器108可位于控制系统100的内部，例如，连接到控制系统100中的本地接口112的内部硬盘驱动器。另外，在另一实施例中，数据存储器108可以位于控制系统100的外部，例如，连接到i/o接口104的外部硬盘驱动器(例如，scsi或usb连接)。在另一实施例中，数据存储器108可通过网络(例如，附接到网络的文件服务器)连接到控制系统100。
47.存储器110可以包括易失性存储器元件(例如，随机存取存储器(ram，例如dram、sram、sdram等))、非易失性存储器元件(例如rom、硬盘驱动器、磁带、cdrom等)及其组合中的任一个。此外，存储器110可以包括电子、磁性、光学和/或其他类型的存储介质。注意，存储器110可以具有分布式架构，其中各种部件彼此远程定位，但可以由处理器102访问。存储器110中的软件可包括一个或多个软件程序，每个软件程序包括用于实现逻辑功能的可执行指令的有序列表。存储器110中的软件包括合适的操作系统(o/s)114和一个或多个程序116。操作系统114基本上控制其它计算机程序的执行，例如一个或多个程序116，并且提供调度、输入-输出控制、文件和数据管理、存储器管理以及通信控制和相关服务。一个或多个程序116可以被配置成实施本文所述的各种过程、算法、方法、技术等。
48.应了解，本文所述的一些实施例可包括：一个或多个通用或专用处理器(“一个或多个处理器”)，例如微处理器；中央处理单元(cpu)；数字信号处理器(dsp)；定制处理器，例如网络处理器(np)或网络处理单元(npu)，图形处理单元(gpu)等；现场可编程门阵列(fpga)等以及唯一存储的程序指令(包括软件和固件两者)以对其进行控制，以结合某些非处理器电路实施本文所述的方法和/或系统的一些、大部分或全部功能。备选地，一些或全部功能可以由不具有存储的程序指令的状态机实施，或在一个或多个专用集成电路(asic)中实施，其中每个功能或某些功能的一些组合被实施为定制逻辑或电路。当然，可以使用前述方法的组合。对于本文所述的某些实施例，硬件中且任选地具有软件、固件及其组合的对
应装置可被称为被配置成或适于根据数字和/或模拟信号执行一组操作、步骤、方法、过程、算法、功能、技术等的“电路”、“逻辑”等等，如本文针对各种实施例所述。
49.此外，一些实施例可包括其上存储有计算机可读代码的非暂时性计算机可读存储介质，以用于编程计算机、服务器、器具、装置、处理器、电路等，其中的每一个可包括处理器以执行本文所述和声明的功能。此类计算机可读存储介质的实例包括但不限于硬盘、光学存储装置、磁存储装置、只读存储器(rom)、可编程只读存储器(prom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、可电擦除可编程只读存储器(eeprom)、闪速存储器等等。当存储在非暂时性计算机可读介质中时，软件可包括可由处理器或装置(例如，任何类型的可编程电路或逻辑)执行的指令，所述指令响应于此类执行而使处理器或装置执行一组操作、步骤、方法、过程、算法、功能、技术等，如本文针对各种实施例所述。
50.虽然参考说明性实施例及其实例来说明和描述本公开，但对于本领域的普通技术人员来说，显而易见的是其他实施例和实例可以执行类似功能和/或实现类似结果。所有此类等同实施例和实例都在本公开的精神和范围内，因此被考虑，并且出于所有目的旨在由以下非限制性权利要求涵盖。