CN102529738A - 用于电池组热管理的系统、方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于电池组热管理的系统、方法和装置。描述了一种包括混合动力系的装置，该混合动力系具有内燃发动机和电动机。该装置包括电耦合到电动机的混合动力系统电池组。该装置包括热耦合到混合动力系统电池组的能量保存设备。该能量保存设备选择性地将热能从混合动力系统电池组中去除，并且保存所去除的热能。该能量保存设备通过以非热形式存储能量或者通过使用该能量来适应当前能量需求来保存所去除的热能。

Description

用于电池组热管理的系统、方法和装置
技术领域
本申请涉及电池组的热管理，并且更具体地而非排他性地涉及混合动力系统中的电池组。
背景技术
如果电池组的温度过高或过低，则用于混合动力应用的电池组将失去效率和工作寿命。在系统的早期运行时间，电池组的温度往往是低的。在应用预热之后并且尤其在高功率条件下，电池组可以产生过多的热量。因此，在该技术领域中，存在进一步改进的要求。
发明内容
一个实施例是一种用于对混合动力系统电池组进行热管理的独特方法。进一步的实施例从该电池组的过剩热量中捕获能量。通过以下的说明书和附图，进一步的实施例、形式、目标、特征、优点、方面和益处将变得显而易见。
附图说明
图1是用于对混合动力系统电池组进行热管理的系统的示意图。
图2是控制器的示意方框图，该控制器功能上执行用于对混合动力系统电池组进行热管理的操作。
具体实施方式
为了促进对本发明原理的理解，现在参考在附图中所示的实施例，并且将使用特定的语言来描述这些实施例。然而应当理解，并不是要由此限制本发明的范围，并且预料到了和保护所示实施例中的任何变更和进一步的修改以及本发明所涉及领域的技术人员将正常想到的本文所示的本发明原理的任何进一步的应用。
图1是用于对混合动力系统电池组116(电池组)进行热管理的系统100的示意图。该系统包括车辆102，该车辆102具有操作性地耦合到混合动力系的传动系108。该混合动力系包括内燃发动机104和电动机106。该系统还包括与该电动机106电耦合的电池组116。混合动力系可以包括电动机106、发电机和/或电动/发电两用机。混合动力系被示出为具有发动机104和电动机106，该发动机104和电动机106经由功率分配器101以并联排列方式操作性地耦合到传动系108。混合动力系的排列可以是串联、并联、串并联或者本领域中可理解的其他任何排列。
传动系108可以经由除了功率分配器101以外的其他设备连接到动力源104、106，并且混合动力系还可以包括变速器、变扭器或本领域已知的其他设备。混合动力系还可以包括除了电动机106和发动机104以外的其他动力源，尽管混合动力系中的至少一个设备将是耦合到电池组116的电动机106或电动/发电两用机。该系统100中的动力源可以都连接到传动系108，或者该动力源的子集可以连接到传动系108，同时其他动力源支持已连接的动力源。在包括车辆102的应用中，说明该系统100，但是在此预料到了其他应用。
示例性的系统100还包括控制器112，该控制器112被构造为在功能上执行用于对电池组116进行热管理的特定操作。在系统100的某些实施例中，为电池组116提供热管理的特征都利用硬件来执行，并且可以不包括控制器112。当示例性的控制器112存在时，该控制器112执行如在参考图2的部分中描述的特定操作。
示例性的系统100包括提供对电池组116的温度测量或温度估计的温度传感器118。该示例性的系统100还包括提供对电动机106的温度测量或温度估计的温度传感器120。所示出的温度传感器118、120为示例性的，并且系统100可以不包括温度传感器，和/或可以在其他位置包括温度传感器。该系统还包括电容性元件，该电容性元件可以是超级电容器124。当超级电容器124存在时，该超级电容器124选择性地耦合到系统100中的电力电子设备114、电池组116或系统100中的其他设备。可以由控制器112、响应于电池组116温度的形状记忆合金设备(未示出)和/或本领域已知的系统100中的任何其他设备来执行将超级电容器124耦合到系统100中的其他部件的选择。
电力电子设备114包括电压变换设备，该电压变换设备可以是电气部件或固态器件。示例性的电力电子设备114包括整流器，该整流器对来自发电机的AC功率进行变换以便由电池组116使用。示例性的电力电子设备114还包括逆变器，该逆变器将来自电池组116的DC功率进行变换以便由电动机106使用。示例性的电力电子设备114还可以将电气能源的电压和/或频率变换为不同的值，以便在系统100的各种部件中使用。
示例性的系统100还包括辅机负载122，该辅机负载122选择性地耦合到电力电子设备114、电池组116或系统100中的其他设备。可以由控制器112、由响应于电池组116温度的形状记忆合金设备(未示出)和/或由本领域已知的系统100中的任何其他设备来执行将辅机负载122耦合到系统100中的其他部件的选择。辅机负载122的示例包括电动窗、电动门、音响系统、车灯、动力转向设备、动力辅助刹车设备和/或气候控制设备。在某些实施例中，辅机负载122包括电阻设备或被构造为耗散所供应的电力的其他部件，所供应的电力可以被用于对系统100的部分进行加热(例如，车辆的乘客舱)，和/或可以被耗散到外界。
系统100还包括用于将热能从电池组116去除并且保存(securing)所去除的热能的至少一部分的一个或多个设备。所述设备可以对超过温度阈值的电池组116的温度进行响应，和/或对来自控制器112的命令进行响应。可以响应于表示电池组116的温度过高的热传递值，和/或响应于与阈值温度相比较的电池组116的温度来提供来自控制器112的命令。
用于将热能从电池组116中去除的示例性设备包括热电设备(未示出)。该热电设备热耦合或选择性地热耦合到电池组116，并且该热电设备基于本领域已知的塞贝克效应(Seebeck effect)、珀耳帖效应(Peltier effect)和/或汤姆逊效应(Thomson effect)而工作。该热电设备向系统100中的任何设备(包括但不限于电池组116、超级电容器124、电动机106和/或辅机负载122)提供电能。向系统100中的设备提供电能保存了所去除的热能。该热电设备可以以根据当前状况的方式提供电能，例如当负载具有当前功率需求时，向辅机负载122提供电能，并且当负载不具有当前功率需求时，向电池组116提供电能。
用于将热能从电池组116中去除的另一示例性设备包括热耦合或选择性热耦合到电池组116的形状记忆合金(SMA)。该SMA响应于接收来自电池组116的热能而改变形状或经受机械应力。示例性的SMA通过向系统中的设备(包括电动机106、功率分配器101、传动系108、发动机104的曲轴、发动机104的凸轮轴和/或被构造为接收来自SMA的机械能的任何其他设备)提供机械能来保存所去除的热能。示例性的SMA例如通过操作双滑轮系统来操作小的旋转发动机，在双滑轮系统中双滑轮由SMA弹簧或金属丝进行连接，使得当一根金属丝加热并且一根金属丝冷却时驱动滑轮。双滑轮旋转发动机是本领域已知的，并且在此也预料到了基于SMA的产生机械能和/或旋转机械能的任何其他设备。在一个示例中，利用在SMA操作的旋转发动机与机械能的接收设备之间的高速比传动装置来将机械能提供给所选择的设备。
另一示例性的SMA设备从基于SMA的旋转发动机产生电能，并且将该电能提供给系统内的设备。另一示例性的SMA设备感应在压电元件上的应力，并且将所产生的电能提供给系统内的设备。附加的或可选的SMA设备通过将在SMA中感应的机械能转换为在机械设备中的势能(例如缠绕弹簧或使平衡物升高)，或者捕获机械应力以用于当前或之后使用的其他方法，来保存被去除的热能。
在某些实施例中，系统100还包括用于将热量提供给电池组116的一个或多个设备。所述设备可以对低于温度阈值的电池组116的温度进行响应，和/或对来自控制器112的命令进行响应。可以响应于表示电池组116的温度过低的热传递值，和/或响应于与阈值温度相比较的电池组116的温度，来提供来自控制器112的命令。
向电池组116提供热量的示例性设备包括上文描述的任何热电设备，其中电能被供应给该热电设备，并且所产生的热量被提供给电池组116。用于向电池组提供热量的另一示例性设备包括将电动机106和/或一个或多个辅机负载122耦合到电池组116的设备并且由此增加了在产生热量的电池组116上的负载。用于向电池组116提供热量的另一示例性设备包括SMA设备，该SMA设备例如通过从电池组116汲取电流，和/或通过闭合到系统100中的从电池组116汲取电流的电气设备的电路(未示出)，来向低温的电池组116提供负载。
参考图2，示出了一种包括示例性控制器112以提供电池组热管理的装置200。在某些实施例中，该控制器形成了处理子系统的一部分，该处理子系统包括一个或多个具有存储器硬件、处理硬件和通信硬件的计算设备。该控制器可以是单个设备或分布式设备，并且可以由硬件或软件来执行该控制器的功能。控制器112包括被构造为功能上执行控制器112的操作的多个模块。此处的描述包括模块的使用，以便强调所描述元件的特征的功能独立性。可以将模块实施为由软件、硬件进行的操作，或者模块可以至少部分地由用户或操作员来执行。在某些实施例中，模块表示如在计算机可读介质上编码的计算机程序的软件元素，其中当计算机执行该计算机程序时，该计算机执行所描述的操作。模块可以是单个设备、分布式并行设备(distributed across devices)，和/或模块可以整个地或部分地与其他模块或设备形成组。
装置200可以被包括在系统中，该系统具有包括内燃发动机和电动机的混合动力系、电耦合到该电动机的电池组和热耦合到该电池组的能量保存设备(energy securing device)。能量保存设备将热能从电池组中去除，并且保存所去除的热能的至少一部分。在某些实施例中，能量保存设备是将来自电池组的热能转换为电能并且将该电能提供给电子设备的热电设备。该电子设备可以为电池组、超级电容器、电动机、发电机、包括电动机的电动-发电两用机和具有当前功率需求的电设备。
装置200包括具有热传递目标模块204的控制器112，该热传递目标模块204响应于电池组的温度208和目标温度描述210来确定热传递值218。在一个示例中，目标温度描述210包括操作温度范围，并且控制器112将热传递值218确定为将使电池组116的温度趋向该操作温度范围的值。在某些实施例中，目标温度描述210为目标温度值、具有滞后的目标温度值、操作温度范围和/或具有滞后的操作温度范围。例如，操作温度范围可以为15-27℃，具有2℃的滞后，从而热传递值218表示：在13℃时加热并且在29℃时冷却，但是在15-27℃的范围内关闭加热或冷却。
所提供的温度范围仅为示例性的，并且用于给定系统100的理想温度范围取决于本领域技术人员已知的或从电池组116的制造商可获得的特定电池组116的性质。此外，可以选择理想的温度范围，以便延长电池组116的寿命(通常为较低的温度值)或者提升电池组116的效率(通常为中到高的温度值)。热传递值218可以是建模值，热传递值218可以是通过反馈控制方案确定的值，该反馈控制方案采用增益值并且使用电池组208的当前温度与目标温度描述210的值之间的差作为误差项，和/或热传递值218可以是根据电池组116的最大加热速率或最大冷却速率来限制的值。在某些实施例中，热传递值218可以是表示需要加热、需要冷却或不需要温度调节的离散或描述性值。
控制器112还包括能量保存模块202，该能量保存模块202响应于表示电池组的温度过高的热传递值218来提供热传递命令220。能量保存设备响应于热传递命令220将热能从电池组中去除。示例性的装置200还包括热产生设备，该热产生设备响应于热传递命令220(其中热传递值218表示电池组的温度过低)而向电池组供应热能。在参考图1的描述中，描述了示例性的热产生设备和能量保存设备。一个示例性的热产生设备包括通过给电池组电气加载来供应热能的形状记忆合金，由此该电池组响应于该加载来产生热能。给电池组加载的示例包括将电池组连接到有效负载、以及将电池组连接到电阻性负载。
示例性装置200包括在具有混合动力系的系统中，该混合动力系包括车辆的传动系。该示例性的装置200还包括解释该车辆的推进状态212的推进确定模块206。该推进状态212表示车辆是否在运动中并且车辆是否由混合动力系提供动力。能量保存设备还响应于表示电动机正在向车辆的传动系提供动力的推进状态212，通过向车辆的传动系提供所去除的热能来保存所去除的热能。在另一示例中，装置200包括能量保存设备，该能量保存设备响应于表示电动机没有正在向车辆的传动系提供动力的推进状态212，通过将所去除的热能作为电能提供给电池组、超级电容器和/或辅机负载来保存所去除的热能。
接下来的操作上的描述提供了电池组的热管理流程的说明性实施例。所描述的操作仅被理解为示例性的，并且可以对操作进行组合或拆分，增加或去除操作，以及对操作进行全部或部分地重新排序，除非本文明确地另有相反的声明。
示例性流程包括：操作具有内燃发动机、电动机的混合动力系，操作电耦合到电动机的电池组，以及操作将该发动机和该电动机运动(motively)耦合到车辆的传动系。该流程包括在电池组中产生热能的操作、将一定量的热能从电池组中去除的操作、以及保存所去除的热能的至少一部分的操作。该流程的另外的示例性操作包括：通过将所去除的热能转换为电能、将所去除的热能转换为旋转机械能、将所去除的热能转换为旋转机械能并且利用该旋转机械能产生电能、和/或将所去除的热能转换为旋转机械能并且机械地利用该旋转机械能来保存所去除的热能。机械地利用该旋转机械能的示例性操作包括将该旋转机械能传递到发动机的曲轴、发动机的凸轮轴和/或车辆附件。
示例性流程还包括：响应于确定电池组的温度大于温度目标而去除一定量热能的操作，和/或响应于确定电池组的温度低于温度目标而向电池组增加一定量热能的操作。另一示例性流程包括例如利用SMA设备或者通过将辅机负载电连接到电池组来给电池组加载的操作。示例性流程还包括通过利用形状记忆合金设备将热能从电池组中去除而去除电池组中的热能的操作。
根据上文介绍的附图和文字显而易见的是，预料到了根据本发明的各种实施例。
一组示例性的实施例包括一种用于对混合动力系电池组进行热管理的装置，该装置包括具有内燃发动机和电动机的混合动力系。该装置包括电耦合到该电动机的电池组、以及热耦合到该电池组的能量保存设备。能量保存设备将热能从电池组中去除，并且保存所去除的热能的至少一部分。示例性的能量保存设备包括热电设备、形状记忆合金和/或压电设备。
在某些实施例中，能量保存设备是将电池组中的热能转换为电能并且将该电能提供给电子设备的热电设备。该电子设备可以是电池组、超级电容器、电动机、发电机、包括电动机的电动-发电两用机以及具有当前功率需求的电设备。具有当前功率需求的示例性电设备包括但不限于：电动窗、电动门、音响系统、车灯、动力转向设备和/或气候控制设备。
进一步的实施例包括：热传递目标模块，该热传递目标模块响应于电池组的温度和目标温度描述来确定热传递值；以及能量保存模块，该能量保存模块响应于表示电池组的温度过高的热传递值来提供热传递命令。该能量保存设备响应于该热传递命令来将热能从电池组中去除。示例性的目标温度描述包括温度目标、具有滞后的温度目标、温度值范围以及具有滞后的温度值范围。示例性的装置还包括热产生设备，该热产生设备响应于热传递命令来向电池组供应热能。示例性的热产生设备包括通过给电池组电气加载来供应热能的形状记忆合金，由此该电池组响应于该加载来产生热能。给电池组加载的示例包括将电池组连接到有效负载、以及将电池组连接到电阻性负载。
示例性的装置还包括混合动力系，该混合动力系包括车辆的传动系，其中该装置还包括对车辆的推进状态进行解释的推进确定模块。能量保存设备还响应于表示电动机正向车辆的传动系提供动力的推进状态，通过将所去除的热能提供给车辆的传动系来保存所去除的热能。示例性的装置包括能量保存设备，该能量保存设备响应于表示电动机没有正在向车辆的传动系提供动力的推进状态，通过将所去除的热能作为电能提供给电池组、辅机负载和/或超级电容器来保存所去除的热能。
另一组示例性的实施例是一种包括车辆的系统，该车辆具有操作性耦合到混合动力系的传动系，该混合动力系包括内燃发动机和电动机。该系统还包括电耦合到该电动机的电池组、以及用于将热能从该电池组中去除并且保存所去除的热能的至少一部分的装置。该示例性系统还包括用于确定该电池组的温度是否过高的装置，并且该用于去除和保存电池组中的热能的装置还响应于该电池组的温度过高来执行去除和保存。示例性的系统还包括用于确定该电池组的温度是否过低的装置、以及用于响应于该电池组的温度过低来加热该电池组的装置。
又一示例性的实施例包括一种用于对电池组进行热管理的方法。该方法包括操作具有内燃发动机、电动机的混合动力系，操作电耦合到该电动机的电池组，以及操作传动系，该传动系将该发动机和电动机运动耦合到车辆。该方法包括在电池组中产生热能、将一定量的热能从电池组中去除、以及保存所去除的热能的至少一部分。
保存所去除的热能的示例性操作包括将所去除的热能转换为电能、将所去除的热能转换为旋转机械能、利用该旋转机械能产生电能、和/或机械地利用该旋转机械能。机械地利用该旋转机械能的示例性操作包括将该旋转机械能传递到发动机的曲轴、发动机的凸轮轴和/或车辆附件。
示例性的方法还包括：响应于确定电池组的温度大于温度目标而去除一定量的热能、和/或响应于确定电池组的温度低于温度目标而向电池组增加一定量的热能。给电池组加载的示例性操作包括利用形状记忆合金设备来给电池组加载。将热能从电池组中去除的示例性操作包括利用形状记忆合金设备来将热能从电池组中去除。
虽然已经在附图和前面的说明书中详细说明和描述了本发明，但是该附图和前面的说明书本质上是说明性的而非限制性的。应当理解的是，已经示出并描述了仅仅特定的示例性实施例，并且期望保护在本发明的精神之内的所有改变和修改。在阅读权利要求时，当使用诸如“一个”“一种”、“至少一个”或“至少一部分”等词语时，并不是要将该权利要求限制为仅仅一个或一种，除非在该权利要求中特别地另有相反的声明。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项可以包括部分项和/或整个项，除非特别地另有相反的声明。

Claims (21)

1.一种装置，包括：
混合动力系，所述混合动力系包括内燃发动机和电动机；
混合动力系统电池组，所述混合动力系统电池组电耦合到所述电动机；以及
能量保存设备，所述能量保存设备热耦合到所述混合动力系统电池组，所述能量保存设备被构造为将热能从所述混合动力系统电池组中去除，并且保存所去除的热能的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述能量保存设备包括从多个设备中选择的至少一个设备，所述多个设备包括热电设备、形状记忆合金和压电设备。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述能量保存设备包括热电设备，所述热电设备被构造为将所述混合动力系统电池组中的热能转换为电能，并且将所述电能提供给从多个设备中选择的至少一个电子设备，所述多个设备包括所述混合动力系统电池组、超级电容器、所述电动机、发电机、包括所述电动机的电动-发电两用机和具有当前功率需求的电设备。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括：
热传递目标模块，所述热传递目标模块被构造为响应于所述混合动力系统电池组的温度和目标温度描述来确定热传递值；
能量保存模块，所述能量保存模块被构造为响应于表示所述混合动力系统电池组的所述温度过高的所述热传递值来提供热传递命令；并且
其中，所述能量保存设备还被构造为响应于所述热传递命令来将所述热能从所述混合动力系统电池组中去除。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述目标温度描述包括从由温度目标、具有滞后的温度目标、温度值范围以及具有滞后的温度值范围构成的描述中选择的温度描述。
6.根据权利要求4所述的装置，还包括热产生设备，所述热产生设备被构造为响应于所述热传递命令来向所述混合动力系统电池组供应热能。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述热产生设备包括形状记忆合金，所述形状记忆合金被构造为通过给所述混合动力系统电池组电加载来供应所述热能。
8.根据权利要求4所述的装置，其中，所述混合动力系还包括车辆的传动系，所述装置还包括推进确定模块，所述推进确定模块被构造为解释所述车辆的推进状态，并且其中，所述能量保存设备还被构造为响应于表示所述电动机正在向所述车辆的所述传动系提供动力的所述推进状态，通过向所述车辆的所述传动系提供所去除的热能来保存所去除的热能的所述至少一部分。
9.根据权利要求4所述的装置，其中，所述混合动力系还包括车辆的传动系，所述装置还包括推进确定模块，所述推进确定模块被构造为解释所述车辆的推进状态，并且其中，所述能量保存设备还被构造为响应于表示所述电动机没有正在向所述车辆的所述传动系提供动力的所述推进状态，通过将所去除的热能作为电能提供给所述混合动力系统电池组、超级电容器和辅机负载中的一个来保存所去除的热能的所述至少一部分。
10.一种系统，包括：
具有传动系的车辆，所述传动系操作性地耦合到混合动力系，所述混合动力系包括内燃发动机和电动机；
混合动力系统电池组，所述混合动力系统电池组电耦合到所述电动机；以及
用于将热能从所述混合动力系统电池组中去除并且保存所去除的热能的至少一部分的装置。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括：
用于确定所述混合动力系统电池组的温度是否过高的装置；并且
其中，所述用于将热能从所述混合动力系统电池组中去除并且保存所去除的热能的至少一部分的装置响应于所述混合动力系统电池组的温度过高来执行去除和保存。
12.根据权利要求10所述的系统，还包括：
用于确定所述混合动力系统电池组的温度是否过低的装置；以及
用于响应于所述混合动力系统电池组的所述温度过低来加热所述混合动力系统电池组的装置。
13.一种方法，包括：
操作混合动力系、混合动力系统电池组和传动系，所述混合动力系包括内燃发动机、电动机，所述混合动力系统电池组电耦合到所述电动机，并且所述传动系被构造为将所述发动机和所述电动机运动耦合到车辆；
在所述混合动力系统电池组中产生热能；
从所述混合动力系统电池组中去除一定量的所述热能；以及
保存所去除的热能的至少一部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述保存包括：将所去除的热能转换为电能。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述保存包括：将所去除的热能转换为旋转机械能。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：利用所述旋转机械能产生电能。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：将所述旋转机械能传递给从多个部件中选择的部件，所述多个部件包括所述发动机的曲轴、所述发动机的凸轮轴、以及车辆附件。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括：响应于确定所述混合动力系统电池组的温度高于温度目标而去除该一定量的所述热能。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括：响应于确定所述混合动力系统电池组的温度低于温度目标来向所述混合动力系统电池组增加一定量的热能。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：利用形状记忆合金设备来给所述混合动力系统电池组加载。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：利用所述形状记忆合金设备来从所述混合动力系统电池组中去除所述热能。
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