CN101551174B - 车辆的暖通空调和电池热管理 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于具有电池组的车辆的暖通空调系统以及操作的方法。该暖通空调系统可包括：制冷剂回路，其具有第一支路和第二支路；以及制冷剂回路中的制冷剂压缩机。在第一支路中，蒸发器向车辆的客舱提供冷却，蒸发器截止阀选择性地阻止制冷剂流通过蒸发器，并且在蒸发器的上游具有蒸发器热力膨胀阀。在第二支路中，电池热交换器接收制冷剂，在电池热交换器的上游定位有电池热力膨胀阀，并且电池冷却截止阀选择性地阻止制冷剂流通过电池热交换器。控制截止阀和压缩机以控制客舱和电池组的冷却。

Description

车辆的暖通空调和电池热管理
技术领域
本发明总地涉及车辆中的暖通空调(HVAC)系统，以及用于电池组的热系统。
背景技术
现在正推行采用电池组以存储用于电推进系统的大量能量的先进机动车辆。例如，这些车辆可包括充电式混合动力电动车辆、具有充当发电机给电池充电的内燃机的电动车辆、以及燃料电池车辆。总体上，这些电池组需要某种类型的热系统，用来冷却和加温该电池组。
用于冷却和加温电池组的典型电池热系统依赖于来自车辆HVAC系统的空气流。这可以是被引导通过电池组的客舱空气。但这些系统具有缺点，诸如：由于空气的低传热系数原因导致的低排热，由于电池风扇马达噪音和空气急流噪音所引起的内部客舱的噪声、振动和声振粗糙度(NVH)，在车辆停放在阳光下之后(由于在驱动循环开始时客舱中的高空气温度)所造成的有限电池冷却能力，以及保证客舱与电池热系统之间的空气进口栅不会被车辆乘客意外地阻塞(导致电池空气冷却流减少或没有)的困难。
发明内容
一种实施例涉及用于具有电池组的车辆的HVAC系统。该HVAC系统可包括：制冷剂回路，其具有第一支路和第二支路；以及制冷剂回路中的制冷剂压缩机。在第一支路中，蒸发器向车辆的客舱提供冷却，蒸发器截止阀选择性地阻止制冷剂流通过蒸发器，在蒸发器的上游有蒸发器热力膨胀阀。在第二支路中，电池热交换器接收制冷剂，电池热力膨胀阀位于电池热交换器的上游，电池冷却截止阀选择性地阻止制冷剂流通过电池热交换器。
一种实施例涉及冷却车辆的客舱和电池组的方法，该方法包括步骤：检测客舱所要求的冷却级别；检测电池组所需要的冷却级别；如果要求客舱冷却，并且检测到相对同等高级别的电池组冷却，则启动制冷剂压缩机，打开蒸发器截止阀以允许制冷剂流过蒸发器，并打开电池冷却截止阀以允许制冷剂流过电池热交换器；如果没有检测到客舱冷却和电池组冷却，制冷剂压缩机则停机；如果相对于相对较低级别的所需电池组冷却，检测到较高级别的所要求的客舱冷却，则启动制冷剂压缩机，打开蒸发器截止阀以允许制冷剂流过蒸发器，并使电池冷却截止阀在允许与阻止制冷剂流过电池热交换器之间循环；以及，如果相对于相对较低级别的所要求的客舱冷却，检测到较高级别的所需电池组冷却，则启动制冷剂压缩机，打开电池冷却截止阀以允许制冷剂流过电池热交换器，并使蒸发器截止阀在允许与阻止制冷剂流过蒸发器之间循环。
一种实施例涉及冷却车辆的客舱和电池组的方法，该方法包括步骤：检测客舱所要求的冷却级别；检测电池组所需要的冷却级别；如果不要求客舱冷却而需要电池组冷却，则使制冷剂压缩机循环开停，关闭蒸发器截止阀以阻止制冷剂流通过蒸发器，并打开电池冷却截止阀以允许制冷剂流过电池热交换器；以及，如果不需要所需的电池组冷却而要求客舱冷却，则使制冷剂压缩机循环开停，关闭电池冷却截止阀以阻止制冷剂流通过电池热交换器，并打开蒸发器截止阀以允许制冷剂流过蒸发器。
一种实施例的优点是，车辆的HVAC系统满足变化的客舱空调负荷，同时还能够满足变化的电池冷却负荷。制冷剂回路中的恰好处于蒸发器和电池热交换器上游的制冷剂截止阀的使用，允许增加HVAC操作状态，以满足变化的客舱和电池冷却负荷。截止阀能够循环打开和关闭，并且压缩机速度(RPM)能够变化以使解决可变冷却负荷的能力最大化。此外，通过在电池组内保持期望的温度，可允许使电池寿命最长化。
附图说明
图1是具有根据第一实施例的HVAC系统的车辆的示意图；
图2是具有根据第二实施例的HVAC系统的车辆的示意图；
图3是具有根据第三实施例的HVAC系统的车辆的示意图；
图4是示出了在用于满足客舱和电池组的各种冷却需求的方法中所使用的工作状态的表格。
具体实施方式
参考图1，总的由20标示的车辆的一部分包括车辆HVAC系统22。HVAC系统22包括具有制冷剂回路26的空调部分24。制冷剂回路26包括与冷凝器30流体连通的制冷剂压缩机28。制冷剂压缩机28可由电力驱动，并具有在运转期间调节该压缩机速度(RPMs)的能力。冷凝器30又将制冷剂引导到制冷剂管路32中，该制冷剂管路32分岔成制冷剂回路26的两条支路35、37，以将制冷剂引导到蒸发器截止阀34和电池冷却截止阀36中。蒸发器截止阀34选择性地允许和限制制冷剂流通过它进入蒸发器热力膨胀阀38。蒸发器热力膨胀阀38又与蒸发器40流体连通，该蒸发器40位于车辆20的客舱44中的暧通空调(HVAC)模块42中。离开蒸发器40的制冷剂被引导通过蒸发器热力膨胀阀38的返回部分并返回到压缩机28，以完成制冷剂回路26的一条支路35。
电池冷却截止阀36选择性地允许和限制制冷剂流通过它进入电池热力膨胀阀46。电池热力膨胀阀46又与电池制冷剂-冷却剂热交换器48流体连通。离开热交换器48的制冷剂被引导通过电池热力膨胀阀46的返回部分并返回到压缩机28，以完成制冷剂回路26的第二支路37。
热交换器48还与冷却剂回路50流体连通。图1-3中的虚线表示制冷剂流动通过的管道，而点划线表示冷却剂液体流动通过的管道。冷却剂可以是常规的液体混合物(诸如，乙二醇与水的混合物)，或者可以是具有合适的传热特性的某些其它类型的液体。冷却剂回路50还可包括用于泵送冷却剂通过该回路50的冷却剂泵52。冷却剂回路50流过电池组54，在那里冷却剂被用来冷却电池组54。
HVAC系统22还可以包括各种传感器，用于检测系统中的某些点处的温度或压力。例如，HVAC系统22可包括低压侧压力传感器56和高压侧压力传感器58，该低压侧压力传感器56用于测量制冷剂刚进入压缩机28之前的制冷剂压力，而该高压侧压力传感器58用于测量制冷剂刚离开压缩机28之后的制冷剂压力。可将蒸发器空气温度传感器60用于测量从蒸发器40流出的空气的温度。同样地，可将冷却剂温度传感器62用于测量离开热交换器48的冷却剂的温度。
图2示出第二种实施例。由于该实施例类似于第一实施例，所以相似的附图标记用于相似的元件，并且将省略它们的详细描述。在该实施例中，没有冷却剂回路，并且HVAC系统22的制冷剂回路26由第一实施例仅稍作修改而成。电池热力膨胀阀46将制冷剂引导至电池组54中的电池热交换器70。因此，不是冷却剂流过电池组54，而是制冷剂流过电池组54。蒸发器截止阀34和电池冷却截止阀36仍选择性地限制制冷剂流通过制冷剂回路26的两条支路35、37。
图3示出第三种实施例。由于该实施例类似于第一实施例，所以相似的附图标记用于相似的元件，并且将省略对它们的详细描述。在该实施例中，用蒸发器电子热力膨胀阀74替换第一实施例的蒸发器截止阀和蒸发器热力膨胀阀，并且用电池电子热力膨胀阀76替换第一实施例的电池冷却截止阀和电池热力膨胀阀。现在，两个电子热力膨胀阀74、76选择性地限制制冷剂流通过制冷剂回路26的两条支路。由于电子热力膨胀阀74、76的运行特性，所以第一压力温度传感器78测量离开蒸发器40之后的制冷剂，而第二压力温度传感器80测量离开热交换器48之后的制冷剂。冷却剂回路50可保持与第一实施例中的基本相同。
可选地，通过用如图3所示的电子热力膨胀阀替换图2的截止阀和热力膨胀阀，可在图2所示的实施例中采用图3的实施例的电子热力膨胀阀。
图4为表格，该表格显示了用在一种方法中的各种工作状态，该方法用于满足图1所示的客舱44和电池组54的各种冷却需求。尽管就图1讨论图4的操作方法，但相同的操作方法可用于图2和图3的实施例。
对电池冷却的需求可取决于当前的电力使用以及当前的电池温度，其可能与当前的客舱冷却负荷不同。制冷剂回路26中的恰好位于蒸发器40上游的蒸发器截止阀34和恰好位于热交换器48上游的电池冷却截止阀36的使用，允许增加HVAC操作状态。在部件需要较低的冷却负荷时，截止阀可以关闭或循环打开和关闭，以处理冷却负荷中的差异。
对于工作模式1，客舱空调关闭并且当前不需要电池冷却(在图4的表格中由零表示)。在该工作模式中，压缩机28停机，因此制冷剂不会流动。阀34、36也可以关闭。
对于工作模式2，客舱空调关闭(因而不需要制冷剂流通过蒸发器40)，车辆20可处于电动工作模式中，其具有低的电池冷却负荷。蒸发器截止阀34关闭，电池冷却截止阀则打开。压缩机28循环开停仅基于当前电池冷却需求。低压侧压力传感器56和冷却剂温度传感器62可用来提供确定压缩机循环定时所需的数据。如果期望，压缩机28还可以在低于最大RPMs的速度下运转，以适应所需的有限电池冷却。
对于工作模式3，客舱可处于去湿模式(从而具有低的舱室冷却负荷)，当前不需要电池冷却。蒸发器截止阀34打开，电池冷却截止阀36则关闭。利用蒸发器空气温度传感器60和低压侧压力传感器56作为确定循环定时的两个输入，使压缩机28循环开停，如果期望，压缩机28还可以在低于最大RPMs的速度下运转，以适应所需的有限客舱冷却。
对于工作模式4，客舱空调关闭，并且车辆20可以正在具有高电池冷却需求的电动车辆模式中工作(例如在长陡坡道路上向上行驶时的电动车辆模式操作)。蒸发器截止阀34关闭，电池冷却截止阀36则打开。压缩机28处于开的状态，压缩机速度受到调节(RPM控制)用于精确满足电池冷却需求。在该工作模式下，如果期望，可以将最低的吸气侧制冷剂压力调节成低于典型舱室蒸发器工况下的压力，从而在效果上增加电池制冷剂-冷却剂热交换器48的效率。这能够发生是因为避免蒸发器40上结冰的需求在该工作模式中不是问题。
对于工作模式5，客舱空调为开，负荷为高级别，而电池组54仅需要少量冷却。例如，在客舱44非常热而同时电池组54仅具有少量电力负载的情况下，在该客舱44的初始冷却期间就会出现该情形。蒸发器截止阀34打开，压缩机28运转(但如果需要，可采用RPM控制)，同时电池冷却截止阀36循环打开和关闭，以处理电池组54所需的较低冷却负荷。可将冷却剂温度传感器62用作输入，以确定何时需要出现阀循环。
对于工作模式6，客舱空调处于开的状态，负荷处于低级别，而车辆20可以正在具有高电池冷却需求的电动车辆模式中工作(例如在长陡坡道路上向上行驶时的电动车辆模式操作)。电池冷却截止阀36打开，压缩机28工作(但如果需要，可采用RPM控制)，同时蒸发器截止阀34循环打开和关闭，以处理客舱44所需的较低冷却负荷。可将蒸发器空气温度传感器60用作输入，以确定何时需要出现循环。
对于工作模式7，客舱和电池冷却的负荷都高。例如，在客舱非常热的同时车辆20正工作在具有高电池冷却需求的电动车辆模式中(例如在长陡坡道路上向上行驶时的电动车辆模式操作)的情况下，在客舱初始冷却期间便会出现该情形。截止阀34、36都打开并且压缩机28运转，以向客舱44和电池组54提供最大冷却。
尽管已详细说明了本发明的某些实施例，但熟悉本发明所涉及领域的人员将会认识到用于实践所附权利要求所限定的本发明的各种可替换的设计和实施例。

Claims (20)

1.一种用于具有电池组的车辆的暖通空调系统，所述暖通空调系统包括：
制冷剂回路，其具有第一支路和第二支路；
制冷剂压缩机，其位于所述制冷剂回路中；
蒸发器，其位于所述第一支路中并被构造成向所述车辆的客舱提供冷却；
蒸发器截止阀，其位于所述第一支路中并被构造成选择性地阻止制冷剂流通过所述蒸发器；
蒸发器热力膨胀阀，其在所述第一支路中位于所述蒸发器的上游；
电池热交换器，其位于所述第二支路中；
电池热力膨胀阀，其在所述第二支路中位于所述电池热交换器的上游；和
电池冷却截止阀，其位于所述第二支路中并被构造成选择性地阻止制冷剂流通过所述电池热交换器，
其中，所述暖通空调系统设置成：
检测所述客舱所要求的冷却级别；
检测所述电池组所需要的冷却级别；
如果不要求客舱冷却而需要电池组冷却，则所述制冷剂压缩机循环打开和关闭，关闭蒸发器截止阀以阻止制冷剂流通过蒸发器，并打开电池冷却截止阀以允许制冷剂流过电池热交换器；以及
如果不需要电池组冷却而要求客舱冷却，则所述制冷剂压缩机循环打开和关闭，关闭所述电池冷却截止阀以阻止制冷剂流通过所述电池热交换器，并打开所述蒸发器截止阀以允许制冷剂流过所述蒸发器。
2.根据权利要求1所述的暖通空调系统，其特征在于：所述电池热交换器位于所述电池组中。
3.根据权利要求1所述的暖通空调系统，其特征在于：所述电池热交换器是制冷剂-冷却剂热交换器，所述暖通空调系统包括冷却剂回路，该冷却剂回路提供流过所述制冷剂-冷却剂热交换器的冷却剂，所述冷却剂回路引导冷却剂流过所述电池组。
4.根据权利要求3所述的暖通空调系统，其特征在于：该系统包括位置靠近所述制冷剂-冷却剂热交换器并位于其下游的冷却剂温度传感器，所述冷却剂温度传感器被构造成测量流自所述制冷剂-冷却剂热交换器的冷却剂的温度。
5.根据权利要求1所述的暖通空调系统，其特征在于：该系统包括低压侧压力传感器和高压侧压力传感器，所述低压侧压力传感器被构造成测量所述制冷剂回路中的所述制冷剂压缩机上游的制冷剂压力，而所述高压侧压力传感器被构造成测量所述制冷剂回路中的所述制冷剂压缩机下游的制冷剂压力。
6.根据权利要求1所述的暖通空调系统，其特征在于：一种蒸发器电子热力膨胀阀包括所述的蒸发器截止阀和所述的蒸发器热力膨胀阀。
7.根据权利要求6所述的暖通空调系统，其特征在于：一种电池电子热力膨胀阀包括所述的电池冷却截止阀和所述的电池热力膨胀阀。
8.根据权利要求7所述的暖通空调系统，其特征在于：该系统包括第一压力和温度传感器和第二压力和温度传感器，所述第一压力和温度传感器在第一支路中位于所述蒸发器的下游，所述第二压力和温度传感器在所述第二支路中位于所述电池热交换器的下游。
9.根据权利要求1所述的暖通空调系统，其特征在于：一种电池电子热力膨胀阀包括所述的电池冷却截止阀和所述的电池热力膨胀阀。
10.一种冷却车辆的客舱和电池组的方法，所述方法包括步骤：
(a)检测所述客舱所要求的冷却级别；
(b)检测所述电池组所需要的冷却级别；
(c)如果请求冷却客舱，并且检测到相对同等高级别的电池组冷却，则启动制冷剂压缩机，打开蒸发器截止阀以允许制冷剂流过蒸发器，并打开电池冷却截止阀，以允许制冷剂流过电池热交换器；
(d)如果没有检测到客舱冷却和电池组冷却，则所述制冷剂压缩机停机；
(e)如果相对于相对较低级别的所需电池组冷却，检测到较高级别的所要求的客舱冷却，则启动所述制冷剂压缩机，打开所述蒸发器截止阀以允许制冷剂流过所述蒸发器，所述电池组截止阀则在允许与阻止制冷剂流过所述电池热交换器之间循环；和
(f)如果相对于相对较低级别的所要求的客舱冷却，检测到较高级别的所需电池组冷却，则启动所述制冷剂压缩机，打开所述电池冷却截止阀以允许制冷剂流过所述电池热交换器，所述蒸发器截止阀则在允许与阻止制冷剂流过所述蒸发器之间循环。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法包括步骤(g)：如果不要求客舱冷却而需要电池组冷却，则所述制冷剂压缩机循环打开和关闭，关闭所述蒸发器截止阀以阻止制冷剂流通过所述蒸发器，打开所述电池冷却截止阀以允许制冷剂流过所述电池热交换器。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法包括步骤(g)：如果不需要电池组冷却而要求客舱冷却，则所述制冷剂压缩机循环打开和关闭，关闭所述电池冷却截止阀以阻止制冷剂流通过所述电池热交换器，并打开所述蒸发器截止阀以允许制冷剂流过所述蒸发器。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法包括步骤(g)：如果不要求客舱冷却而需要电池组冷却，则控制所述制冷剂压缩机的速度以满足所需要的电池组冷却，关闭所述蒸发器截止阀以阻止制冷剂流通过所述蒸发器，并打开所述电池冷却截止阀以允许制冷剂流过所述电池热交换器。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(c)还受到所述制冷剂压缩机的速度的限定，控制该制冷剂压缩机速度以满足所需要的电池组冷却和所要求的客舱冷却。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法包括步骤(g)：如果检测到所需要的电池组冷却，则使冷却剂流过所述电池热交换器和所述电池组。
16.一种冷却车辆的客舱和电池组的方法，所述方法包括步骤：
(a)检测所述客舱所要求的冷却级别；
(b)检测所述电池组所需要的冷却级别；
(c)如果不要求客舱冷却而需要电池组冷却，则所述制冷剂压缩机循环打开和关闭，关闭蒸发器截止阀以阻止制冷剂流通过蒸发器，并打开电池冷却截止阀以允许制冷剂流过电池热交换器；和
(d)如果不需要电池组冷却而要求客舱冷却，则所述制冷剂压缩机循环打开和关闭，关闭所述电池冷却截止阀以阻止制冷剂流通过所述电池热交换器，并打开所述蒸发器截止阀以允许制冷剂流过所述蒸发器。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法包括步骤(e)：如果相对于相对较低级别的所需电池组冷却，检测到较高级别的所要求的客舱冷却，则启动所述制冷剂压缩机，打开所述蒸发器截止阀以允许制冷剂流过所述蒸发器，并使所述电池冷却截止阀在允许与阻止制冷剂流过所述电池热交换器之间循环。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法包括步骤(e)：如果相对于相对较低级别的所要求的客舱冷却，检测到较高级别的所需电池组冷却，则启动所述制冷剂压缩机，打开所述电池冷却截止阀以允许制冷剂流过所述电池热交换器，并使所述蒸发器截止阀在允许与阻止制冷剂流过所述蒸发器之间循环。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法包括步骤(e)：如果要求客舱冷却，并且检测到相对同等高级别的电池组冷却，则启动所述制冷剂压缩机，打开所述蒸发器截止阀以允许制冷剂流过所述蒸发器，并打开所述电池冷却截止阀以允许制冷剂流过所述电池热交换器。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法包括步骤(e)：如果检测到所需要的电池组冷却，则使冷却剂流过所述电池热交换器和所述电池组。
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