CN103003544B - 混合动力车辆牵引系统的冷却设备及该设备的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆的冷却设备(11)，所述车辆包括热牵引系统和电牵引系统，所述设备包括：第一冷却液回路(12)，所述第一冷却液回路将热牵引系统的内燃机(13)连接至第一热交换器(14)，第二冷却液回路(17)，所述第二冷却液回路将电牵引系统的部件(18、19、20、21)连接至第二热交换器(22)，所述设备的特征在于，第一回路和第二回路包括定向装置(27、28、30)，所述定向装置适于隔离第一热交换器和第二热交换器并将电牵引系统的部件连接至内燃机。此外，本发明还涉及所述设备的调节方法。

Description

混合动力车辆牵引系统的冷却设备及该设备的调节方法

技术领域

本发明涉及车辆尤其是机动车辆的冷却设备。此外，本发明还涉及所述设备的调节方法。

背景技术

出于经济和环境方面的考虑，当今汽车产业的方向转而发展混合动力牵引系统的车辆。这种混合动力车辆使用两种驱动方式：内燃机和电发动机。电发动机和内燃机可以各自独立地或二者共同驱动车辆，亦或电发动机使用内燃机产生的能量。

上述混合动力车辆通常包括两个冷却液回路：其中之一称为高温回路(HT)，用于热牵引系统，特别是包括内燃机和变速箱的热牵引系统。另一个称为低温回路(BT)，用于电牵引系统，后者可以包括例如一个或多个电发动机，一个电子电源，一个逆变器、一个或多个变流器，一个交流起动机和/或一个电池充电器。

典型地，除了用于冷却电牵引系统的部件以外，低温回路还包括：用于使冷却液循环流动的泵，该泵一般为电动的；用于将冷却液从管道的一处引向另一处的管道；外部空气/冷却液热交换器，用于通过冷却液为车辆散热。

上述混合动力车辆还包括高电压牵引电池，用于当内燃机组(GMP)不运行时驱动汽车。高电压牵引电池容易发热，同样需要冷却装置。该冷却可采用凉空气的方式，例如从乘客舱、行李箱内或车辆外部抽取凉空气；与上述电池接触而被加热的热空气则被排放到车辆外。

高电压牵引电池还可以装备有第三个特别低温冷却液回路，在该回路中的液体在经过电池后通过被空气流穿过的交换器冷却。被加热后的空气随后被排放到车辆外。

一般来说，不同的冷却回路是独立的，因为各个回路需要不同的温度范围。为了保证电池的使用寿命及其运行的安全性，所述电池不能承受超过大约40℃至50℃的温度。对于通过低温冷却回路进行冷却的其它电气部件的建议最大温度值一般为60℃至90℃。因此，上述部件无法承受高温冷却回路中内燃机生成的高温，这种高温可以达到120℃至180℃。

这样，通过电发动机驱动、必要时配合使用内燃机的混合动力车辆，低温冷却回路中的电牵引系统的部件和牵引电池散发的热量被排放到外部空气中。

已知某些混合动力车辆可以通过公共的或居家的插座对电池进行充电。在充电过程中，电池和充电器会变热。在长达数小时的整个充电过程中，散发的热量同样被排放到外部空气中。

由于可以通过外部途径进行充电，目前混合动力车辆的内燃机越来越少被诱发使用，与此同时，在燃料消耗和污染物排放方面带来的好处日益增多。

当内燃机处于冷却状态或者温度升高阶段和低负荷状态下时，内燃机不仅功率最低，而且内部摩擦最大。此外，在环境温度低于0℃至5℃时，内燃机更加难以起动。事实上，这一温度范围使燃烧室内难以达到足够的压缩比，并且阻力矩也妨碍了内燃机的起动。

为了促进内燃机起动，已知的方法是将预先加热激活的火花塞维持在一定温度水平下直至所述发动机第一次起动。而随后在纯电动模式下行驶超过几十分钟后，会给预加热火花塞和电续航时间的耐久性同时带来不可忽视的影响。如果内燃机没有达到某个最低的温度值，内燃机甚至无法再次停止工作，该最小温度值用于保证下一次的再起动，以及在污染物排放和燃料消耗方面的影响。

此外，内燃机各种不同的减少污染的方式(例如催化剂)均需要某个特定的温度才能奏效。因此，当内燃机处于冷却状态时，污染和燃料消耗尤其严重。与热的内燃机相比，其燃烧噪音和振动状态的表现都大大降低。

当外部环境温度低时，例如低于10℃时，乘客的热舒适性同样需要考虑。传统的方式是通过高温回路传输的热量、经过暖风机对乘客舱进行加热。当内燃机处于停止或微弱诱发状态下时，这种加热方式效率低下。此外，还会发生低温回路中的液体温度高于高温回路中的液体温度的情况，尤其是当车辆使用电动模式时。

为了补救这种情况并满足取暖舒适性的要求，采用了许多传统的解决方法：即起动内燃机而不使用混合动力系统。此外，可以采用一些驾驶策略来操纵发动机以便加速输送到暖风机的冷却液温度的上升，同时降低燃烧程度、内燃机的消耗以及污染排放；或者采用外部加热装置，例如电阻器，无需发动内燃机就可以运行。这些方法的结果是减少了车辆的自主操控性。

另外，德国专利DE19730678描述了一种用于混合动力车辆的冷却设备，其可以使用电气部件散发的热量来加热车辆内部。

然而，当所述车辆的内部无需加热时，热量会通过低温冷却回路排放到外部空气中。与此同时，为了产生热量并经由另一个回路将上述热量导入内燃机内部，电能或燃油则被消耗了。

发明内容

本发明的目的在于通过优化混合动力车辆的热管理来解决上述问题。

事实上，本发明的目标是一种车辆的冷却设备，所述车辆包括热牵引系统和电牵引系统，所述设备包括：第一冷却液回路，所述第一冷却液回路将热牵引系统的内燃机连接至第一热交换器；第二冷却液回路，所述第二冷却液回路将电牵引系统的部件连接至第二热交换器；所述设备的特征在于，第一回路和第二回路包括定向装置，所述定向装置适于隔离第一热交换器和第二热交换器并将电牵引系统的部件连接至内燃机。

这样，当内燃机处于停止状态或温度升高阶段时，电牵引系统的部件散发的热量有利于所述温度升高，使内燃机更快地达到最理想的运行状态。

回路的定向装置为例如三通阀，其位置由所述设备的调节装置来设定。

根据本发明的一种优选方式，第一回路和第二回路还包括定向装置，所述定向装置适于隔离内燃机和第二热交换器并将电牵引系统的部件连接至第一交换器，所述第一交换器为空气/冷却液热交换器，其能够抽取车辆辆外部的空气并将其引入所述车辆内部。

通过这种方式，尤其是当内燃机处于停止状态时，电牵引系统的部件散发的热量可以用于确保车辆乘客舱内部的热舒适性，并且改善所述车辆的能量平衡。

根据本发明的一种优选方式，所述设备还包括用于电池的第三冷却回路，所述回路包括适于将从电池中抽取的热量的全部或一部分引入车辆内部的定向装置。

这样，电池散发的热量同样可以用于确保车辆乘客舱内部的热舒适性。

此外，本发明还涉及对前述设备的调节方法，使得当所述内燃机处于停止状态或温度升高阶段时，第一热交换器和第二热交换器被隔离开，并且电牵引系统的部件仅被连接至所述内燃机。在相反的情况下，内燃机可以受益于高温冷却回路，正如在现有技术中已知的。

同样，根据本发明的一种优选方式，所述方法使得当所述内燃机处于停止状态或温度升高阶段时，内燃机和第二热交换器被隔离开，并且电牵引系统的部件仅被连接至第一热交换器。将电牵引系统的热量转移至内燃机或者是乘客舱取决于例如所述乘客舱的取暖需要。

本发明的目的还涉及设有实施该方法装置的例如上文所描述的设备。

本发明的目的还涉及装备有上文所描述的设备的车辆，尤其是混合动力车辆。

附图说明

结合以下描述并参考相应的附图可以更好的理解本发明。以下附图为指示性的并且不对本发明有任何限制作用。附图如下：

-图1：根据本发明的一种实施方式的车辆冷却设备的第一构造；

-图2：图1中所示设备的第二构造；

-图3：图1和图2中所示设备的第三构造；

-图4：图1、图2和图3中所示设备的调节装置的示意图。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的一种实施方式的混合动力车辆的牵引系统的冷却设备。所述设备11装备在未示出的车辆上。该设备包括高温(HT)冷却回路12，冷却液在所述高温冷却回路中循环流动。所述冷却液例如为混合了添加剂的水，该添加剂例如为乙二醇。

回路12形成特别是将内燃机13连接至暖风机14的环路。所述暖风机14为设有混搅来自车辆外部的空气的鼓风机的热交换器。当内燃机13处于运转状态时，位于所述内燃机13进口处的循环泵16使所述内燃机13中的冷却液循环流动，并将热的液体引导至暖风机14。接触外部空气后被冷却的上述液体被再次导向内燃机13。当内燃机13不运转时，位于暖风机14上游的循环泵15可以确保冷却液的循环。作为变型，如果内燃机13的泵16是电动式的，则所述泵15可以被去掉。

当乘客舱需要供热时，暖风机14排出的热空气可以被导向乘客舱内部。

除了暖风机14以外，高温回路12还可以包括用于冷却内燃机13的其它冷却装置(未示出)，例如与外部空气进行热交换的第二热交换器。

设备11还包括低温(BT)冷却回路17，冷却液在所述低温冷却回路中循环流动。优选地，这里涉及的冷却液与回路12中的冷却液相同。回路17可以冷却电牵引系统的部件。所述部件为例如电池充电器18、逆变器19、交流起动机20和电发动机21。优选地，电牵引系统的部件按照不断增大的最大许可温度沿回路17设置。回路17形成将所述部件连接至热交换器22的环路，所述热交换器通过接触车辆外部的空气从而冷却回路17中的液体。

热交换器22位于具有最高的最大许可温度值的装置20的下游。在附图1所示的实施例中，该装置为交流起动机20。位于所述热交换器22下游的循环泵23确保了液体在回路17中的流动。

设备11还包括电池25的冷却回路24。当电池25处于运行状态或充电状态时，需要由通过例如位于电池出口的压送器26从车辆乘客舱吸入回路24中的空气进行冷却。同样地，可以从车辆的行李箱中里或所述车辆空调机组的空气管道中抽取吸入的空气。接触电池25被加热的空气可以被排放到车辆外部。

优选地，回路24还包括定向装置46，例如三通阀，其可以将接触电池25而被加热的空气的全部或一部分再次引入乘客舱内部。这样，回路24有助于改善乘客舱内的热舒适性。

更优选地，排气回路适于排出气体、蒸汽或电池25的其它降解或老化的产物，该回路独立于回路24并与其隔开，以避免将上述产物引入乘客舱中的风险。有利地，电池25是隔热的，以增加它的热惯性并用有利于通过回路24对乘客舱进行加热。

设备11还包括处于高温回路12和低温回路17位置处的三通阀。更确切地说，在图1示出的示例中，设备11包括位于低温回路17中在交流起动机20与交换器22之间的第一三通阀27。设备11还包括位于高温回路12中在暖风机14和内燃机13之间的第二三通阀28。所述两个三通阀(27、28)通过管道29连接。图1中，上述两个阀门(27、28)的位置使管道29中无任何液体可以循环流动。

设备11还包括位于高温回路12中在内燃机13与暖风机14之间的第三三通阀30。

第三三通阀30通过管道31被连接至低温回路17。管道31与低温回路17间的交点32位于热交换器22与循环泵23之间。图1中，阀门30的位置使管道31中无任何液体可以循环流动。

这样，当上述阀门(27、28、30)位于图1所示的位置上时，低温回路17与高温回路12是完全分离的。热交换器22确保了通过泵23使冷却液在低温回路17中循环流动对电牵引系统的部件(18、19、21、20)进行冷却。高温回路12确保了通过泵16和/或泵15使冷却液在暖风机14中循环流动对乘客舱进行加热。

图2显示了带有三通阀(27、18、30)的设备11，上述阀门的位置与它们在图1中的位置不同。设备11的这一构造可以冷却电牵引系统的部件，同时使用由此回收的热量对处于停止或温度升高阶段的内燃机13进行热力预调节。

在图2所示的实施例中，两个阀门(28、30)均处于使内燃机13与暖风机14之间的冷却液循环流动中断的位置。同样，阀门27处于使交流起动机20与交换器22之间的冷却液循环流动中断的位置。所述阀门(27、28、30)通过包括管道(29、31)的环路33连接内燃机13与电牵引系统的部件(18、19、21、20)。构成环路33的上述管道在图2中用灰色示出。在所述环路33中，一个或多个循环泵(15、16、23)确保了冷却液的循环流动。

当内燃机13处于温度升高阶段时，图2中所示的设备11的构造尤其具有优势。电牵引系统的部件所散发的热量有利于所述温度升高，这限制了燃料的消耗以及污染物的排放。图2同样示出了当内燃机13处于停止状态时的构造，抽取自上述部件(18、19、21、20)的热量对所述内燃机13的进行热力预调节以便为起动做好准备。

对内燃机13的热力预调节可以有多种方式：根据本发明的第一种变型，被加热的液体在所述内燃机13的气缸壳体和/或气缸盖内循环流动。

根据本发明的其它变型，抽取自所述部件(18、19、21、20)的热量可以对内燃机13内部的流体进行加热。

这样，根据一种变型，通过冷却液/燃料热交换器(未示出)，抽取自上述部件(18、19、21、20)的热量可以在燃料到达内燃机13的喷嘴前对其进行加热。

根据另一种变型，抽取自所述部件(18、19、21、20)的热量可以在被内燃机13抽吸的空气进入所述内燃机13中之前对所述空气进行加热。上述热传递可以通过放置在内燃机13的空气过滤器中的空气/液体热交换器来实现。如果内燃机13的进气回路包括冷却器，可以为该冷却器设置旁通装置从而使被抽取自上述部件(18、19、21、20)的热量预热后的进气不会被冷却。

根据另外一个变型，抽取自上述部件(18、19、21、20)的热量可以加热内燃机13的润滑油以使其温度升高。这样可以降低润滑油的粘度并减少内燃机13内部由于摩擦造成的机械损耗。内燃机13起动时的阻力矩因此得以减小，改善了起动质量并减少了燃料的消耗。

可以通过抽取自上述部件(18、19、21、20)的热量对内燃机13的润滑油进行加热的热交换器为油/冷却液热交换器。优选地，所述油/冷却液热交换器同样可以通过所述内燃机13的高温冷却回路12加热或冷却内燃机13的润滑油。作为变型，如果例如内燃机13未装备有这样一种油/冷却液热交换器时，热的液体与内燃机13的润滑油之间的热传递则可以通过穿过发动机体的壁板来实现。

根据另一种变型，通过冷却液抽取自所述部件(18、19、21、20)的热量可以对内燃机13的去污和排放系统的一个或多个部件进行加热。所述加热可以加速去污系统的温度升高并使上述系统加快达到最佳的运行温度。上述加热同样可以在内燃机13起动后随即加速排出气体的温度升高。

对内燃机13的流体的加热，例如进入的空气、润滑油或排放的气体，可以通过电发动机20与内燃机13的联合使用加以改善。这一联合可以使内燃机13内部的活动部件以微小的旋转速度运动，从几转/每分钟到几十转/每分钟。内燃机13的这种旋转可以使进气阀打开并关闭排气阀，以便通过活塞的下降，通过例如上文提及的空气/液体热交换器吸进空气。内燃机13的旋转还可以在排气阀保持关闭的同时关闭进气阀，以确保压缩进入气缸中的空气。该压缩可以改善对进入气缸中的空气的加热。内燃机13的旋转可以接着使排气阀打开并关闭进气阀，以便排出内燃机13的排气管中和去污系统中的热空气并对其进行加热。以上描述的过程可以通过电动辅助的涡轮增压器或电压缩机的使用加以改善。事实上，这种方法可以增加进入内燃机13中的空气以及排入内燃机13的排气管和去污系统中的空气的流量。内燃机13的旋转可以最终关闭排气阀并使进气阀再一次打开。

此外，内燃机13的旋转可以混搅所述内燃机13的润滑油以帮助其温度升高并帮助受热的润滑油与内燃机13的活动部件连通。

根据另一个变型，抽取自上述部件(18、19、21、20)的热量可以加热车辆的热牵引系统的变速箱的润滑油，尤其是涉及自动变速箱时。上述加热可以减小变速箱润滑油的粘度并减少变速箱内由于摩擦产生的机械损耗，以减小变速箱的阻力并因此减小消耗，且改善变速比的质量。上述加热可以通过使用油/冷却液热交换器来实现。优选地，所述油/冷却液热交换器还可以通过所述内燃机13的高温冷却回路12来加热或冷却变速箱的润滑油。

在混合动力车辆装备有自动变速箱的情况下，所述自动变速箱通常装备有电动油泵，以便在内燃机不运转时确保对自动变速箱的液压回路加压和该回路中的油的流量。使用电动油泵时，上述部件(18、19、21、20)向变速箱的润滑油的热传递因此得以大幅改善。

根据本发明的另一个变型，通过冷却液抽取自上述部件(18、19、21、20)的热量可以加热内燃机13的窜漏管道(conduitsdeblow-by)以解除在外部空气的温度和湿度以及内燃机13的温度处于特殊条件下时窜漏气体结冰的风险。

以上描述的加热功能的全部或一部分不仅可以在所述内燃机不运转而是对该内燃机13进行热力预调节时，也可以在内燃机13首次起动或再次起动后预先确定的时间被激活。

图3显示了带有三通阀(27、28、30)的设备11，所述阀门位置与其在图1和图2中的位置不同。设备11的这一构造可以冷却电牵引系统的部件，并使用由此回收的热量用于加热乘客舱。

在图3所示的示例中，两个阀门(28、30)均处于使内燃机13与暖风机14之间的冷却液循环流动中断的位置。同样，阀门27处于使交流起动机20与交换器22之间的冷却液的循环流动中断的位置。所述阀门(27、28、30)通过包括管道(29、31)的环路34连接暖风机14与电牵引系统的部件(18、19、20、21)。构成环路34的上述管道在图3中用灰色示出。在所述环路34中，通过位于三通阀30和充电器18之间的循环泵23确保了冷却液的循环流动。

当内燃机13处于停止状态或温度升高阶段并且车辆乘客舱需要供暖时，图3所示的设备11的构造尤为有利。在这种情况下，内燃机13不如电牵引系统的部件容易向暖风机供热。此外，如果内燃机处于温度升高阶段，将高温回路尤其是暖风机14隔离开有利于加快所述温度升高。因此，图3中所示的设备11的构造可以优化内燃机13的温度升高，同时有助于乘客舱达到舒适的热度。

所述设备11受调节装置35的控制，图4为该调节装置的示意图。调节装置35尤其包括：微处理器36、数据存储器37、程序存储器38和至少一条通信总线39。

所述阀门(27、28、30)的运行受程序40的控制，后者存储在程序存储器38中。运行的指令通过输出接口41被传送至所述阀门(27、28、30)和所述循环泵(15、16、23)。

通过输入接口42，装置35被连接至热探测器，例如位于内燃机13中的探测器43、位于车辆外部的探测器44、位于乘客舱中的探测器45。连接至接口42的其它热探测器(未示出)，可以测量设备11不同位置的冷却液的温度，尤其是靠近阀门(27、28、30)的温度和回路(12、17、33、34)中的温度。

根据热探测器(43、44、45)测量出并传送至装置35的不同温度值，程序40确定其中设置有三通阀(27、28、30)的构造。例如，当内燃机13已经达到最佳运行温度时，阀门(27、28、30)为图1中的构造以便确保内燃机13的冷却。当内燃机13处于停止状态或温度升高阶段且乘客舱不需要加热时，阀门(27、28、30)可以为图2中的构造。当内燃机13处于停止状态或温度升高阶段且乘客舱需要被加热时，阀门(27、28、30)可以为图3中的构造。根据程序40，阀门(27、28、30)的构造同样取决于设备11不同位置处的冷却液的温度。

装置35同样控制着回路24的定向装置46，后者可以将被电池25加热的空气的全部或一部分引入乘客舱中。根据程序40，引入的空气的比例可以尤其取决于电池25的温度、探测器(44、45)测量到的外部和内部温度和/或由车辆使用者决定的热舒适度水平。

Claims (7)

1.一种车辆的冷却设备(11)，所述车辆包括热牵引系统和电牵引系统，

所述设备包括：

-第一冷却液回路，所述第一冷却液回路将热牵引系统的内燃机(13)连接至第一热交换器，

-第二冷却液回路，所述第二冷却液回路将电牵引系统的部件连接至第二热交换器(22)，

所述设备的特征在于，第一冷却液回路和第二冷却液回路包括定向装置，所述定向装置适于隔离第一热交换器和第二热交换器并将电牵引系统的部件连接至内燃机，并且当内燃机处于停止状态或温度升高阶段时，内燃机和第二热交换器被隔离开，电牵引系统的部件仅被连接至第一热交换器。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，第一和第二冷却液回路包括定向装置，所述定向装置适于隔离内燃机和第二热交换器并将电牵引系统的部件连接至第一热交换器，所述第一热交换器为适于从车辆外部抽取空气并将所述空气引入所述车辆内部的空气/冷却液热交换器。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述定向装置(27、28、30)为三通阀。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其还包括用于电池(25)的第三冷却回路(24)，所述回路包括适于将从电池中抽取的热量的全部或一部分引入车辆内部的定向装置(46)。

5.根据上述权利要求的任意一项所述的设备的调节方法，其中，当所述内燃机处于停止状态或温度升高阶段时，第一热交换器和第二热交换器被隔离开，并且电牵引系统的部件仅被连接至所述内燃机。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其设有实施根据权利要求5所述的方法的装置。

7.一种装备有根据权利要求1至4或6中任意一项所述的设备的混合动力车辆。