CN101855100B - 汽车热源的冷却装置 - Google Patents

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德克·卢梅斯特
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罗兰·布尔克
汉斯-格奥尔格·赫尔曼
托拜厄斯·伊泽迈尔
弗洛里安·莫尔多万
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Abstract

本发明涉及一种用于冷却汽车热源的装置,包括与热源形成热接触的冷却体(7),可穿流冷却体(7)用于带走热量的第一流体流,其中,还包括至少一个导散热量的第二流体流可选地穿流冷却体(7)。

Description

汽车热源的冷却装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种如权利要求I的前序部分所述、用于冷却汽车热源的装置。
背景技术
[0002] EP I 264 715 BI公开了一种用于冷却温度升高的单元如驱动电池的冷却系统,在这个系统中,电池的热量可通过冷却剂回路散发并传送到汽车空调系统的制冷回路。因此,为了保证驱动电池的足够散热,制冷回路必须处于工作中。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种冷却汽车热源的装置,它能够轻松地根据不断变化的外部环境调整工作状态,并具有高能效。
[0004] 这个目的由前面所述的并具有权利要求I所述的装置实现。通过可选地使第一或第二流体流过,可在最优地利用外部条件的情况下实现充分地冷却。例如,在第一运行模式下,汽车空调系统制冷回路中的压缩机运转时,可利用热泵冷却,而在第二运行模式下,则可通过另一个流体流确保充分的冷却,如果制冷回路的压缩机在例如冬天时不工作的情况下。除了针对周围环境对整个系统进行优化之外,还可提高运行安全性,从而能够在制冷回路的压缩机出现故障的情况下,通过另一个可选的流体流进行冷却。
[0005] 在一个优选的实施形式中,热源是蓄电池,特别是锂离子蓄电池。这种蓄电池可以汽车的驱动电池,所述汽车既可以是混合动力汽车,也可以是纯电动汽车。特别是现代的驱动电池,在这里首先是锂离子电池,出于功率密度高、运行安全和优化使用寿命的考虑,要求具有一个可适应所有条件的冷却系统,它可以确保驱动电池处于适当的工作温度下。
[0006] 在本发明的一个优选实施形式中,第一流体流中的流体与第二流体流中的流体相同。所述流体优选为制冷剂,其中,第一流体流由制冷回路、特别是空调系统的压缩机驱动,而第二流体流则由循环泵驱动。制冷回路中的压缩机运行需要较高的启动功率,而在空气调节方面,只有在万不得已的情况下才在低温下运行,例如进行除湿时。此外,在更低的温度下空调系统则无法运行。如果在这种情况下关闭压缩机,那么按照本发明,制冷回路的分流可通过预设的循环泵作为备用的流体流发挥作用,并以简单的冷却回路的形式通过或者不通过制冷剂的相变将热源的热量带走。在这个实施形式中,通常要么选择第一流体流作为压缩机运行时的制冷剂流,要么选择第二流体流作为循环泵运行时的制冷剂流。在一个简单并适合的详细方案中,这两个可交替的流体流均可由制冷回路的冷凝器冷却。
[0007] 在这里,第二流体流特别优选地穿过设置在冷却体后面的阀,所述阀用于打开或关闭第二流体流。此外,在不希望冷却体中的制冷剂出现沸腾的情况下,所述阀可作为节流阀来相应地调节冷却体中的压力。
[0008] 在符合本发明的第一详细设计方案中,在冷却体中设置用于第一流体的第一流道和用于第二流体的第二流道。至少对于两个流体属于同一种流体的情况,也可采用以下替代方案,即两个流体穿过冷却体中的同一个流道。在这里,流体的选择可通过至少一个转换阀实现。
[0009] 为了在例如冬天冷启动时使需冷却的热源迅速达到所希望的工作温度,较佳的是,至少一个流体流可流经一个特别的电加热元件,以便对热源进行选择性的加热。
[0010] 在另一个优选的实施形式中,第一流体流的流体是制冷回路、特别是空调系统的制冷剂,而第二流体流的流体是与第一流体分开的冷却剂回路中的冷却剂。这样也同样提供了一种可能性,即当制冷回路关闭时,热源的冷却可通过冷却回路中的冷却剂流动实现。在这个变型中,流体流既可以是交替地也可以是累积地流向冷却体,而在累积的变型中,可以实现特别高的冷却效率。这种两个流体流的累积的流动可特别适用于外部温度很高和/或热源的功率很大的情况。对于制冷剂的流体流,按照发明,冷却体以是一种带有布置在前面的膨胀元件的蒸发器,这样,制冷剂在冷却体的内部蒸发或发生相的转化。对于冷却剂,通常会不发生蒸发,但是在本发明并不排除这种可能性。
[0011] 在适当的实施形式中,冷却回路包括循环泵和冷却器,用于将热量从流体带走。冷 却器可以是例如低温冷却器,设置在汽车上被迎面风吹到的前端区域。
[0012] 例如,为了能够在冬天的冷启动情况下迅速地达到工作温度,冷却回路可具有热交换器,以便对处于驱动电池上游的冷却剂进行有选择的冷却。在一个可能的具体方案中,补充的热交换器将来自汽车制动过程中的热量传递到流体上。在这里,制动器可以是感应制动器、欧姆加热装置或者摩擦制动器。
[0013] 在冷却回路中还可对另一个热源进行冷却。在这里,它可以是汽车的任何一个适当的部件,例如电动机或大功率电子元件。
[0014] 在优选的实施形式中,冷却体可选择性通过一个阀与冷却回路分离。这特别具有优势,特别是在一个运行模式下,冷却回路被用于冷却其它部件,而热源或驱动电池则通过来自制冷回路的流体流冷却。
[0015] 在本发明的另一个实施形式中,一个流体流为空气流。在适当的具体方案中,流体流的空气至少可选为来自汽车外部的环境空气。在这里主要是考虑到当汽车的空调系统没有启动时,那么环境空气是足够地凉的。当然,空气也可以来自汽车内部。
[0016] 冷却体优选地包括可被空气环流的散热翅片,以使热量能以优化的方式散发到气流中。
[0017] 一般来说,为了保证热源、特别是驱动电池迅速地达到工作温度,在冷却体上布置着电加热元件,以便有选择性地对热源进行加热。在这里,它可以是直接与冷却体热接触的加热元件,也可以是使经过加热的空气穿过冷却体的加热元件。
[0018] 在本发明的另一个优选优选实施形式中,第一流体流的流体是制冷回路,特别是空调系统的制冷剂,而在制冷回路中冷却体的下游处设有节流元件。
[0019] 这个节流元件既可设计为固定的节流元件,也可设计为可调节的、具有可变压力损失的阀(例如电子膨胀阀)。节流元件可提高冷却体上被制冷剂穿流的流道中的吸入压力,从而通过提高压力来升高制冷剂的蒸发温度。
[0020] 蒸发温度的变化改变了制冷剂和热源之间的温度梯度,从而能够改变被导散的热流。
[0021] 相应地,通过吸入压力的改变可使被导散的热流与不同的运行情况配合。
[0022] 在另一个实施形式中,如果不希望冷却体连续工作,则可在制冷回路中冷却体的入流侧设置节拍阀(Taktventil)或单向阀。如果连续工作导致通过制冷剂导散的热流较多,从而使热源的温度变得过低,就会采用上述的运行模式。过低的温度将无法有效地利用能量,并且对于电动车蓄电池来说将会降低效率。
[0023] 本发明的其它优点和特征见下面所述的实施例及从属权利要求。
附图说明
[0024] 下面通过附图对本发明的若干 实施例进行详细说明。
[0025] 图I为本发明的第一个实施例的示意图;
[0026] 图2中是图I所示实施例的第一变型;
[0027] 图3中是图I所示实施例的第二变型;
[0028] 图4为本发明的第二个实施例的示意图;
[0029] 图5中是图4所示实施例的第一变型;
[0030] 图6中是图4所示实施例的第二变型;
[0031] 图7中是图4所示实施例的第三变型;
[0032] 图7a中是图7所示实施例的一个变型;
[0033] 图7b中是图7所示实施例的另一个变型;
[0034] 图8是本发明的第三个实施例的冷却体的立体示意图;
[0035] 图9中是如图8所示的、装有蓄电池的冷却体;
[0036] 图10是本发明的第三个实施例的示意图,它带有如图8所示的冷却体。
具体实施方式
[0037] 在如图I所示的第一个实施例中,汽车空调系统的制冷回路具有压缩机I、设置在其后的冷凝器2、集流器3、膨胀元件4和蒸发器5,用于对空气进行冷却和除湿,以调节汽车乘客车厢内的空气。此外,在集流器3的后面,从制冷回路分出第一流道,在所述流道中设有循环泵6和布置在其后的冷却体7。在冷却体7的出口侧,这个流道经过节流阀9,在压缩机I后面并且在冷凝器2前面的接口再次回到制冷回路中。
[0038] 制冷回路的另一个分支出现在集流器3之后和膨胀阀4之前。所述第二流道穿过第二膨胀阀8,接着穿过冷却体7,其中,第一流道和第二流道的通道在冷却体7中分离。第二流道在冷却体7的出口侧接到第一膨胀元件4和蒸发器5之间的接口上。
[0039] 冷却体7与以驱动电池为形式的汽车热源在结构上成为一体,并与之形成热导连接。驱动电池例如是锂离子电池,它将热量散发到冷却体7上。在具体的实施例中,汽车可以是一种具有内燃机和电动机的混合动力汽车,或者是一种纯电动汽车。
[0040] 本发明的工作原理如下:
[0041] 在第一运行模式中,压缩机I停止,循环泵6启动。泵6将液态的制冷剂从集流器3吸入,并通过冷却体7的第一流道输送,以便吸收并带走驱动电池的热量。阀9在设定上使制冷剂在冷却体的进口处为液相,在这里通常不会出现相的变化。阀9可优选为节流阀,使得制冷剂以气体-液体混合物(湿蒸汽)的形式进入到后面的冷凝器。在冷凝器中,所吸收的热量被导散到环境空气中,制冷剂被冷却,这样,它在后面的集流器3中又以液相的形式聚集。在这种运行模式中,未经压缩但只经过泵压输送的制冷剂为如本发明所述的流经冷却体7的第一流体流。
[0042] 当汽车乘客车厢中的空气调节不需要压缩机运行,或者它无法有效地或根本不可能工作时,例如在冬天,这第一种运行模式使得热源能够通过汽车空调系统的部件冷却,
[0043] 在第二运行模式中,压缩机I开动,阀9关闭,或者泵6液密地关机,使得冷却体7以蒸发器的形式与制冷回路成为一体。在冷却体中的通道的形状,特别是第二流道的形状按照蒸发器的功能进行优化。制冷剂流在冷却体7和蒸发器5上的分布可通过调节膨胀元件4、8进行。在一个变型中,冷却体7的出口可接在蒸发器5的后面,原则上,作为蒸发器运行的冷却体7和蒸发器5可采用不同的连接布置。在所述的第二运行模式中,经过压缩并通过压缩机I输送的制冷剂为如本发明所述的流经冷却体7的第二流体流。
[0044] 举例来说,冷却体7在结构上可采用以下方式,即两个或多个冷却体板平整地相互连接在一起,其中,在第一个板中设有作为第一流道的通道,在另一个板中设有作为第二 流道的通道,类似地,在必要时在其它的板中布置其它的流道。它们之间的连接应该具有良好的导热性,优选地通过钎接实现。关于将锂离子电池固定在被流体穿流的冷却体上并保证它们之间有效的热连接,现有技术中已有很多实施例。
[0045] 在另一个实施形式中,两个或多个流体通道相互分离地布置在一个冷却体板中。
[0046] 在图2所示的变型中,与第一个实施例不同的是,在循环泵6的后面还布置着一个电加热源10。如果以电的形式存在的制动能无法输送到温度低的电池时,因此至少不可用于加热时,在这种情况下,电加热源特别具有优点。特别适合冬天运行状态下,在第一流道行之有效的运行时,在汽车冷启动时可将驱动电池迅速地加热到工作温度。通过这种方式可提高电池的效率,并通过缩短加热时间来延长电池的使用寿命。
[0047] 在图3所示的变型中,与图2中的实施例不同的是,在冷却体7中只设置了一个通道用于制冷剂的穿流,从而简化了冷却体的结构。为了根据选定的运行模式来确定通道作为第一流道或者第二流道,在冷却体的进口和出口分别设置以可开闭的多向阀为形式的阀组件11、12。在进口侧的阀组件11中还集成了冷却体作为蒸发器运行时所使用的膨胀元件8。在出口侧的阀组件12中则集成了节流阀9,它用于冷却体在带有循环泵6的冷却回路中的运行。
[0048] 图4中是本发明的第二个实施例。这里与图I所示的实施例相同,冷却体7可被两个流道穿流,所述流道处于独立的流路或通道中。在这里,第一流道对应于汽车空调系统的制冷回路中的制冷剂的穿流,与图I所示的第一个实施例中的第二运行模式相同。
[0049] 但与图I的实施例不同的是,在可开闭的流道中没有设置可替代压缩的制冷剂循环功能,而是设有与制冷回路实际上分离的、带有循环泵13和低温冷却器14的冷却回路。冷却器14通常布置在汽车的前端区域并可被相对气流穿流。
[0050] 冷却回路的流体通常为液体,例如水-乙二醇混合物。在冷却回路中并没有规定冷却剂的相态的转化,但原则上是可行的。
[0051] 在这个实施例中,驱动电池或者其冷却器7或者只通过制冷回路冷却,或者只通过冷却回路(例如在压缩机I关闭的情况下)冷却,或者通过两个回路冷却。通过这种方式能够很好地适应周围环境和热源的热负荷情况。流经冷却体的制冷剂和流经冷却体的冷却剂构成了如本发明所述的两种不同的流体流。
[0052] 在如图5所示的第二个实施例的第一变型中,在冷却回路中设有加热装置15,例如电加热器,以便在需要时能够迅速地将电池加热到工作温度。为了在这种预热工作状态下例如在冷启动时,尽可能少地使热量散发到外面,将电加热装置15布置在与冷却器14平行的分支或旁路中,所述分支或旁路可通过多向阀15a选择。
[0053] 如图6所示,在图4所示的实施例的第二变型中同样设有用于相同目的的加热装置16。但加热装置16没有集成到冷却回路中,而是以电加热器、优选为PTC加热器(PTC =正温度系数)的形式直接布置在冷却体7上。在这里,加热可通过直接导热或者通过风扇输送的热风实现。
[0054] 在图7所示的第二个实施例的第三变型中,冷却体7布置在经过优化的、通过分配阀控制的冷却回路的一个分支中。冷却回路包括至少另一个需冷却的组件19。为了保证驱动电池的充分冷却,这里在组件19的上游布置着经过优化的冷却体7的分支。
[0055] 与低温冷却器14平行设置着通过分配阀20、21控制的热交换器22,汽车制动器的 余热可通过所述的热交换器传导到冷却回路中。这样可在不消耗电能的情况下将热源加热到工作温度(冷启动)。这种对电池加热的方案特别适合于纯电动汽车。热交换器22在原理上可与其它的热源相连,例如混合动力汽车的内燃机的废气。
[0056] 在图7a中,在图7所示的实施例的变型中,组件19直接布置在阀17的后面。这样,一部分流体穿过组件19,另一部流体穿过冷却体7。通过这种实施形式,使得穿过组件19的部分流体的温度低于图7所示的实施例中的温度,因为部分流体在进入组件19之前没有经过混合。
[0057] 在如7b所示的另一个变型中,空调装置的加热体24可布置在冷却体7的前面。这样,车厢内的空气就被一部分流体加热,而这部分流体又相应地被冷却。这种冷却有助于提高冷却体7的效率。在一个图未示的实施例中,加热体24也可布置在冷却体7的后面。
[0058] 图8到图10中是本发明的第三个实施例,在这个实施例中,穿过冷却体的第一流体流是作为第一流体的制冷剂。第二流体流则是作为第二流体流动的冷却空气。
[0059] 图9中只显示了冷却体7,其中锂离子电池则以示意的方式插入到所述冷却体中。
[0060] 冷却体7基本上由一个板状的本体7a组成,在所述本体中设有至少一个用于流体穿流的通道7b。所述流体在这里是汽车空调系统的制冷回路的制冷剂。为此,冷却体7在这里作为制冷回路的蒸发器工作。但冷却体7也可连接到带有循环泵的冷却回路上。这可以参见上面所述的实施例。
[0061] 在板7a的电池侧设有可导热的散热翅片7c,它们布置在各蓄电池23之间,以便将蓄电池的热量尽可能优化且均匀地传导到本体7a上。
[0062] 在板状本体7a的另一侧上设有被空气穿流的散热翅片7d,以便使空气能够尽可能有效地穿过冷却体。冷却空气优选为汽车外面的环境空气。所述空气可通过例如风扇和风道输送。在这里,如果汽车的空调系统没有启动的话,环境空气通常特别地凉。
[0063] 为了保证通过空气进行良好的散热,散热翅片7d具有良好的导热性,并且冷却板7a优选为薄壁。空气流量大并且传热系数高同样是具有优选的。
[0064] 毫无疑问,上述实施例的各特征均可适当地相互组合。特别是按照第三个实施例的空气穿流也可与前面所述的两个实施例中的每个冷却体7结合。通过这种方式,就可以有三种流体用于对冷却体进行可选的、交替的或者叠加的穿流冷却。
[0065] 在这里的实施形式中,制冷回路通过以下方式实现,即它可采用在高压侧冷凝的制冷剂如R134a作为工作介质。当然,在使用R744作为制冷剂时,必须采用相应的变型,例如由气体冷却器代替冷凝器,集流器布置在低压侧并且在必要时增加内部的热交换器。这种制冷回路的改变或变型在现有技术下已为本领域技术人员所熟悉。
[0066] 图11到14中是冷却体7的实施例,所述冷却体用于图4到图7所示的实施例。在这个实施例中,冷却体7被制冷剂及在单独的冷却回路中流动的冷却剂穿流。
[0067] 冷却体由两个通道板组成,通道板24a用于制冷剂,通道板24b用于冷却剂,其中,每个通道板具有多个用于制冷剂的通道27和多个用于冷却剂的通道31。
[0068] 这两个通道板通过一个在两侧涂覆有钎料的板32 (见图14)相互分开,从而形成分别用于制冷剂的流道27和用于冷却剂的流道31。
[0069] 为了冷却体7尽可能地紧凑并节省结构空间,分别用于制冷剂或冷却剂的进口 26和29及出口 25和30集中在连接块33和34中。
[0070] 在一个图未示的替代方案中,通道27和31也可带有翅片或涡流垫片,以加大热交换的表面。
[0071] 为了特别是在冷却体7的制冷剂侧保证制冷剂的均匀分布,在流入侧的集流通道35上设置板筋28 (Stegrippe)。集流通道35的横断面应选择为可略微加快流动速度。为此,在上游集流通道的横断面上以及相应的输送制冷剂的通道板24a的通道27中的出口逐渐缩小。
[0072] 通过大量的测量发现,流体密度优选为大于80kg/m2s,以便达到稳定的传热系数。
[0073] 冷却体7的这种设计具有以下优点:
[0074] 一优化结构空间,因为两个通道板可在一个模块中制成。
[0075] —独立设计通道的几何形状以及对应于每个板的接口,因为不存在底切干涉的危险。

Claims (26)

1.用于冷却汽车热源的装置,包括与热源形成热接触的冷却体(7),可穿流冷却体(7)用于导散热量的第一流体流,其特征在于,至少一个导散热量的第二流体流可选地穿流冷却体(7),第一流体流中的流体与第二流体流中的流体相同,第一流体流由制冷回路的压缩机(I)驱动,而第二流体流则由循环泵(6 )驱动。
2.根据权利要求I所述的装置,其特征在于,热源是蓄电池,
3.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,热源是锂离子蓄电池(23)。
4.根据权利要求I所述的装置,其特征在于,第一流体流由空调系统的压缩机(I)驱动。
5.根据权利要求I所述的装置,其特征在于,这两个流体流均可由制冷回路的冷凝器(2)冷却。
6.根据权利要求I或5所述的装置,其特征在于,第二流体流穿过设置在冷却体(7)后面的阀(9)。
7.根据权利要求I所述的装置,其特征在于,在冷却体(7)中设有用于第一流体的第一流道和用于第二流体的第二流道。
8.根据权利要求I所述的装置,其特征在于,两个流体穿过冷却体中的同一个流道。
9.根据权利要求8所述的装置,其特征在于,流体的选择通过至少一个可开关的阀(11、12)实现。
10.根据权利要求I所述的装置,其特征在于,至少一个流体流可流经一个电加热元件(10),以便对热源进行选择性的加热。
11.根据权利要求I或2所述的装置,其特征在于,第一流体流的流体是制冷回路的制冷剂,而第二流体流的流体是与第一流体分开的冷却剂回路中的冷却剂。
12.根据权利要求11所述的装置,其特征在于,第一流体流的流体是空调系统的制冷剂。
13.根据权利要求11所述的装置,其特征在于,冷却剂回路包括循环泵(13)和用于从流体带走热量的冷却器(14 )。
14.根据权利要求11所述的装置,其特征在于,冷却剂回路可具有热交换器(15、22),以便对冷却剂进行选择性的冷却。
15.根据权利要求14所述的装置,其特征在于,热交换器(22)将来自汽车制动过程中的热量传递到流体上。
16.根据权利要求11所述的装置,其特征在于,冷却剂回路中可对另一个热源(19)进行冷却。
17.根据权利要求11所述的装置,其特征在于,冷却体(7)可选择性通过阀(17、18)与冷却剂回路分离。
18.根据权利要求I所述的装置,其特征在于,一个流体流为空气流。
19.根据权利要求18所述的装置,其特征在于,流体流的空气至少可选为来自汽车外部的环境空气。
20.根据权利要求18所述的装置,其特征在于,流体流的空气是来自汽车车厢内部的空气。
21.根据权利要求18所述的装置,其特征在于,冷却体(7)包括可被空气环流的散热翅片(7d)。
22.根据权利要求I所述的装置,其特征在于,在冷却体上布置着电加热元件(16),以便有选择性地对热源进行加热。
23.根据权利要求I所述的装置,其特征在于,第一流体流的流体是制冷回路的制冷齐U,而在制冷回路中冷却体(7)的下游处设有节流元件。
24.根据权利要求23所述的装置,其特征在于,第一流体流的流体是空调系统的制冷剂。
25.根据权利要求I所述的装置,其特征在于,第一流体流的流体是制冷回路的制冷齐U,并且在制冷回路中冷却体(7)的入流侧设置节拍阀,从而使制冷剂能够以节拍的方式输入到冷却体(7)中。
26.根据权利要求25所述的装置,其特征在于,第一流体流的流体是空调系统的制冷剂。
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