CN103373199B - 用排气为混合动力车辆的电池加热和充电的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种系统和方法，用于使用排气为混合动力车辆的电池加热和/或充电。系统和方法使用排气热量回收(EGHR)装置为热传递流体加热。如果预定条件达到则将热传递流体热连接到第一换热器以为电池加热，和/或将热传递流体热连接到第二换热器以为电池充电。

Description

用排气为混合动力车辆的电池加热和充电的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于使用排气进行加热和为电池充电的系统和方法，例如用于混合动力车辆
背景技术
在混合动力车辆系统中，内燃发动机可以与一个或多个电池(和电动机-发电机组合)，以形成混合动力传动系。在一些构造中，内燃发动机可以推进前车轮而电池可以经由电动机推进后车轮。目前的电池（例如锂离子电池）可以在周围空气温度或电池单元的温度低于一定冷温度（例如负8摄氏度以下）时性能降低。降低的性能将导致降低的混合动力功能性，例如再生操作和启动/停止功能性。降低的电池性能会导致在后车轮被混合动力电池（例如锂离子电池）所有车轮驱动功能性降低。为了改善电池性能，一些混合动力系统具有插电类型加热器，其在混合动力电池系统被插电而用于为电池充电时为电池加温。然而，在许多场合，例如机场和其他商业和私人停车场，插电式充电单元不可用。另外，插电的方式可能没有在所有混合动力模型上设置或可能未连接到电池加热器。在其他系统上，使用者可以让车辆怠速，以增加部件温度，但是，对于锂离子电池，在内燃发动机运转的同时电池通常不被加温。
发明内容
提供一种使用排气为混合动力车辆中的电池加热的系统。系统包括排气热量回收(EGHR)装置，用于将排气引入到EGHR换热器，用于将热能传递到热传递流体。系统还包括用于感测电池温度的温度传感器和用于确定电池温度是否低于预定温度的控制器。系统进一步包括换热器，其与电池覆盖板热连接，用于在控制器指示电池的温度低于预定温度时，将热能从热传递流体传递到电池覆盖板，其中电池的温度升高。
提供一种使用排气为混合动力车辆中的电池加热和充电的系统。系统包括排气热量回收(EGHR)装置，具有EGHR换热器，用于将热能传递到热传递流体。系统还包括用于感测电池温度的传感器，用于指示电池充电状态的充电状态指示器，和用于监视来自温度传感器的信号和来自充电状态指示器的信号的控制器。系统进一步包括用于与电池覆盖板热连接的第一换热器和用于为电池充电的第二换热器。系统进一步包括，基于电池的充电状态和温度，控制器实现热传递流体流动到第一换热器和第二换热器中的至少一个。
提供一种方法，用于使用具有热能的排气和在热传递回路中的热传递流体而为混合动力车辆中的电池充电和加热，所述电池具有电池覆盖板，所述热传递回路包括第一换热器、第二换热器和热电装置。方法包括确定电池的温度，确定电池的充电状态，和将具有热能的排气热连接到热传递流体。方法继续，如果电池的温度低于第一预定温度和第二预定温度中的一个，则将第一换热器热连接到热传递流体，从而第一换热器接收热传递流体且热连接到电池覆盖板，从而电池的温度升高；如果电池的温度在第一预定温度和第二预定温度之间且电池的充电状态低于预定充电状态，则将第二换热器热连接到热传递流体，从而第二换热器接收热传递流体和热连接到热电装置，所述热电装置使得电流流动，以为电池充电，从而电池的充电状态升高。
在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
附图说明
图1A和1B是混合动力车辆下方的示意图，包括用于使用排气为电池加热和充电的系统;
图2是系统的示意图，其用于使用排气为图1A和1B的混合动力车辆中的电池加热和充电;和
图3是使用排气为用于图1A和1B的混合动力车辆的电池充电和加热的方法流程图。
具体实施方式
参见附图，其中相同的附图标记指示相同的部件，图1A和1B显示了混合动力车辆10（例如混合动力电动车（HEV））下侧的示意性视图。图1A显示了混合动力车辆10，具有详细显示的本发明的系统100，而图1B显示了系统部件，例如EGHR装置110和热传递回路190，一些连接未示出，以允许混合动力车辆10的其他部件被清楚地可见。混合动力车辆10包括内燃发动机12，例如火花塞点火式或压缩点火式发动机，其配置为产生功率和适于通过变速器/驱动系统18驱动前车轮14，以推进混合动力车辆10。内燃发动机12包括许多其他常规的部件，其未示出但是其存在是已知，如本领域技术人员所理解的。朝向混合动力车辆10(具有电动机，未示出)的后方安装的电池146驱动后轮16。具有单独的驱动机构使得混合动力车辆10以全轮驱动（AWD）的方式运行，这是已知的，以改善多雪或通常与低周围空气温度相关的其他天气条件期间车辆的操作。在发动机运行期间，内燃发动机12就燃烧后气体经由排气系统38排出到周围环境。排气系统38包括许多其他常规的部件，其未示出但是其存在是已知的，如本领域技术人员所理解的。排气包括在燃烧过程产生的热量或热能。
参见图1A，1B和2，其通常为示意图，系统100包括在排气系统38中的EGHR换热器120、用于加热电池146的第一换热器140和用于为热电装置170提供热量以为电池146充电的第二换热器160。系统100还包括流体循环流动结构，具有在EGHR、第一和第二热交换器120、140和160之间的流体返回管线131和180和流体供送管线124、128、130、132、152。在这些管线中流动的被加热流体通过用于加热电池146的第一流体流动控制阀126和用于为电池146充电的第二流体流动控制阀150引导。为了实现期望结果，第一和第二流体流动控制阀126和150分别被控制为，二者协作从而流体供送管线124中被加热流体的量被分配到第一和第二热交换器140和160中之一或两者，这取决于电池146的温度和电池146的充电状态中的至少一种。
具体说且如图1A所示，用于为电池加热和充电的系统100可以连接到排气系统38。排气热量回收(EGHR)装置110连接到排气系统38，例如，在电池146附近，所述排气将用于加热和充电。根据本发明，EGHR装置110沿排气系统38任何地方的定位都是可以的。更靠近内燃发动机12定位可以在系统中提供更少的热量损耗，而更靠近电池146定位可以改善系统响应时间，因为到达电池146需要更短的流体供送和返回管线(具有更少的流体质量)。通过将EGHR装置110定位为比靠近电池146更靠近内燃发动机12，更多热量可以保持在排气中且由此更多热量可以输送到电池146。EGHR装置110是这样的装置，其已经用于捕获具有热能的排气且使用其用于加热具有内燃发动机的系统中的发动机冷却剂和变速器流体。EGHR装置110包括EGHR换热器120。热传递流体与EGHR换热器120热交换连通或流动地热连接，热传递流体流动且循环流过流体管线，例如热传递回路190的流体返回管线180和流体供送管线124，如大致在图1A中所示的和在图2中详细示出的。术语热交换连通是指在经过换热器装置的两个或更多流体之间有目的的直接热量交换。仍然参见图2，热传递回路190的流体返回管线180让使用后的热传递流体返回到EGHR装置110，用于按照所需在系统100中再使用或再循环。泵122可以提供流体供送管线124和流体返回管线180之间的流动或循环流动。控制器200可以安装在电池146附近或混合动力车辆10中的任何别的地方，以分别在从电池温度传感器202和电池充电状态(SOC)指示器204而来的信号线203和205上接收信号。虽然所示为从电池温度传感器202和电池充电状态指示器204分别与控制器200导线连接，但是信号线路203和205可以包括连续的数据线缆线缆，包括来自电池控制器的其他数据，信号线路可以是用于传递信号的无线通道，或可以使用用于向控制器200发送信号的其他已知技术。（在整个描述中，术语信号线可以包括任何用于发送信号的装置，如本领域技术人员已知的）。控制器200可以随后例如在信号线206上发送信号到EGHR装置110，和例如在信号线207和208上分别发送信号到热传递回路190中的第一和第二流体流动控制阀126和150，以执行本发明的方法。控制器200可以包括具有存储介质和合适量的可编程存储器的一个或多个部件(未单独显示)，其能执行一个或多个算法或方法以实现所述装置的控制，包括根据本发明的图3的方法300。控制器200可以是用在多种车辆应用中的现有控制器。
本发明的系统100的更详细示意图如图2所示。排气通过排气管线112进入EGHR装置110。分流阀或开关114将排气引入排气管线118以用在EGHR换热器120中或将排气引入排气管线116。在任一事件中，排气最后进入排气离开管线117且通过车辆排气系统38(如图1A和1B所示)离开混合动力车辆10。分流阀或开关114可以是弹簧驱动的，例如甲板房保持温度计（deck house hold thermometer）中的双金属弹簧;通过蜡马达控制;或用于在这样的排气系统中使用的任何其他合适的开关或阀，且分流阀或开关114可以对从控制器200而来的信号线路206上的信号做出响应，例如发动机油门控制阀这样的电促动阀。
仍然参见图2，在排气被引导通过EGHR换热器120时，热量传递到系统100的热传递回路190的流体供送管线124中的热传递流体。流体供送管线124连接到泵122，用于保持热传递回路190的流体管线中的压力和/或流动，而不管内燃发动机12的状态如何。(泵122可以位于热传递回路190中的几个不同位置，但是必须连接到系统，以维持馈送和返回流体管线中循环流动流体的期望压力和/或流动)。本领域技术人员应理解，没有泵122的系统可以在热系统自然朝向平衡运动时提供一些热传递，且可以按照期望使用。如在典型的热传递系统中已知的，可以包括具有溢出瓶（overflow bottle）和/或压力帽的流体贮存器125。流体贮存器125可以被加压或不加压，以实现期望结果。如本领域已知的，除了用于热膨胀的流体贮存器125外，热系统可以包括通气管线或空气分离器，以用于脱气（deaeration）。取决于使用的热传递流体，会需要这些可选装置，热传递流体例如仅是50/50的乙二醇/水流体以及用于获得期望结果的其他已知流体。
接下来热传递流体流动进入第一流体流动控制阀126，该阀可以是标准流体流动引导阀或分流器，其可以是电操作的、流体操作的或以任何合适的方式操作的，以在一些位置之间运动。例如，第一流体流动控制阀126可以对来自控制器200的信号线路207上的信号做出响应。取决于来自控制器200的指示，热传递流体可以随后朝向第二流体流动控制阀150流动，所述阀也可以是标准流体流动引入阀或分流器，其可以是电操作的、流体操作的或以任何合适的方式操作，以在一些位置之间运动。例如，第二流体流动控制阀150可以对来自控制器200的信号线路208上的信号做出响应。如果通过信号线207控制器表明电池146的温度(通过安装在电池146上的温度传感器202感知的)低于预定温度T1(例如仅负10摄氏度)，则第一流体流动控制阀126基本上引导所有热传递流体通过流体管线128进入第一换热器140。替换地，第一流体流动控制阀126可以使用如上所述的其他方式，以确定何时调整位置。温度传感器202仅是示意性的且可以按照期望包括不同类型的多个传感器。第一换热器140可以是液体堆叠（liquid stacked）的换热器，所述换热器是堆叠板（stacked plates）的形成，流体通过其传递热量流动。根据本发明，流体传递可以是流体到流体的传递或流体到空气的传递，取决于期望设计标准。取决于使用的介质，流体管线142将换热器140中回收的热量传递到电池覆盖板144（所述电池覆盖板是例如铝等导热材料形成的），以在电池146上分配热量，使得电池146温度升高(如通过温度传感器202感知的)，且由此电池性能达到可接受的水平，即使周围空气温度持续非常冷也可以。在行进通过换热器140之后，热传递流体通过流体供送管线130返回，且通过处在第一位置的第二流体流动控制阀150而经流体返回管线131和180向回返回到EGHR换热器120。
如果温度传感器202表明电池146的温度在两个预定温度T1和T2(例如负10摄氏度和15摄氏度之间，仅是例如）之间且电池146的充电状态指示器204小于预定水平SOC1(例如百分之80，仅是例如)，则第二位置的第一流体流动控制阀126打开额外的流体供送管线132，且在第二流体流动控制阀150在第二位置的情况下将一些热传递流体流动引导通过流体供送管线152。如前所述，第二流动控制阀150可以是电操作的、流体操作的或以任何合适的方式操作，以在一些位置之间运动。流体供送管线152中的热传递流体进入换热器160，用于将热量传递到热传递回路190的热电装置170。热电装置170可以包括方钴矿材料、TAG/PbTe/BiTe或具有使得在热量引入时形成电流的性能的其他材料，所述电流可通过电线172传递到电池146。如本领域已知的，热电装置170可以珀尔帖发电机，其使用两个板之间的温度差而在两个板之间形成电压差。电线172中所形成的电流流动可以用于为电池146充电。充电状态指示器204发送信号到控制器200，所述信号随电池146的充电水平改变。
如果温度传感器202表明电池温度高于预定温度T2(例如15摄氏度，仅是例如)，则控制器200检测充电状态指示器204。如果电池146的充电状态预定水平SOC1(例如80百分之，仅是例如)，则第一和第二流体流动控制阀126和150分别调整位置，第一流体流动控制阀126在第三位置，从而基本上流体供送管线124中所有热传递流体流动到换热器160。来自换热器160的热量可以随后使得热电装置170为电池146充电。在充电状态(SOC)指示器204表明电池146被充电到预定水平(例如百分之80，仅是例如)时，EGHR装置110的分流阀或开关114改变位置，将基本上所有排气分流到排气管线116而不排到EGHR换热器120。(箭头显示在如所示的流体管线上，以显示流体管线使用时大致的流动方向;即在第一和第二流体流动控制阀126、150处在用于让热传递流体在流体管线中流动的位置)。如上所述，EGHR装置110的分流阀或开关114可以按照期望是热机械启动的、排气压力或流动启动的或电启动的。
使用排气为电池加热和充电的方法300如图3所示。图3仅显示了方法的高度示意图，且应理解图3的方法可以是另一算法或方法的一部分或子过程。首先，提供了本发明方法的概述，且随后给出方法300的更详细的描述。参见图2和3，方法300开始于步骤302，即确定电池146的温度和/或充电状态。接下来，在步骤304，如果电池温度和/或充电状态低于预定值，则排气的热能传递到热传递流体。或者，排气继续通过排气系统38的排气离开管线117。接下来，在步骤306和308，流体控制阀126和150操作为将热量或热能传递到热交换器140和160中的任一或两者，这取决于电池146的温度和/或充电状态。一旦电池146的温度和/或充电状态高于预定值，则排气继续通过排气系统38的排气离开管线117，且方法300结束。
参见图2和3，提供了方法300的更详细的描述。方法300在步骤302开始，即使用电池温度传感器202确定电池146的温度和使用充电状态指示器204确定电池146的充电状态。接下来，在步骤304，方法300包括，如果电池146的温度低于第二预定温度T2或电池146的充电状态低于预定水平SOC1，则将排气热连接到EGHR换热器120，用于将排气热能传递到热传递回路190中的热传递流体。接下来步骤306，方法300继续，如果电池146的温度低于第一预定温度T1，该温度T1比第二预定温度T2低，则打开第一流体流动控制阀126到第一位置，从而基本上所有热传递流体流动到第一换热器140；或如果电池146的温度比第一预定温度T1高而比第二预定温度T2低且电池146的充电状态低于预定水平SOC1则打开第一流体流动控制阀126到第二位置，从而热传递流体流动到第一换热器140和第二换热器160两者；或如果电池146的温度比第二预定温度T2更高且电池146的充电状态低于预定水平SOC1则打开第一流体流动控制阀126到第三位置。第一换热器140接收热传递流体且热连接到电池覆盖板144，用于为电池146加热，从而电池146的温度升高。随后在步骤308，方法继续，在控制器200确定电池146的温度在第一预定温度T1和第二预定温度T2之间且充电状态低于预定水平SOC1时将第二流动控制阀150打开到第一位置，如此热传递流体流动到第一换热器140和第二换热器160两者；或在控制器200确定电池146的温度高于第二预定温度T2且充电状态低于预定水平SOC1时将第二流动控制阀150打开到第二位置，从而基本所有热传递流体流动到第二换热器160。第二换热器160接收热传递流体且热连接到热电装置170，所述热电装置使得电流流动，以为电池146充电，从而充电状态水平或百分比升高。最后，方法300在步骤308之后结束。
本发明的系统和方法使用排气潜热以改善混合动力电动车中电池的性能。使用该潜热可以消除在非常冷的周围空气中运行时使用插电加热器为电池升温的需要。还有在非常冷周围空气温度情况下或在电池单元的温度低于期望温度的其他情况下，本发明的系统和方法需要使得内燃发动机12打开以生产排气，从而电池146的性能可以改进。这种“发动机打开”超驰（override）可以是来自控制器200或来自车辆10中其他系统的信号，且基本上使得内燃发动机12运行，从而最终的排气潜热可以用于通过使用本文所述的系统和方法而升高电池温度，以改善电池146性能。
控制器200可以用于收集所有或一些信号，以用于本发明，且还可以发送信号以实现方法300的期望步骤。替换地，例如第一和第二流体流动控制阀126和150这样的个别装置分别可以具有内部机构，其使得它们按照需要定位，以实现本发明的方法300。本发明方法步骤可以按照需要循环执行多次，以实现期望电池温度和/或充电状态水平。
预定温度和预定SOC水平或百分比仅是示例性和说明性的。用于设定点的具体值将基于其所应用的系统100和车辆的具体构造而确定。
本发明的方法300用于在开始为电池146充电之前将电池146加热到预定温度，因为如已知的，在电池146非常冷时，电池146可接收电功率的速率会受到限制。
EGHR换热器120显示是同心流动（concentric-flow）构造，从而两种流体(排气和热传递流体)基本上平行于彼此且平行于换热器120的长度流动。流动取向取决于封装限制条件、使用的流体类型等。第一和第二流体流动控制阀126和150分别描述为具有一定数量的位置，但是可以具有用于其他系统或方法的额外位置，如本领域已知的。
在本说明中，术语电池146和一些电池可以互换地使用，以表明电池组中的许多电池单元。
虽然显示了混合动力电动车10，但是可以想到采用如本发明范围内所述的内燃发动机12和电池146的任何车辆。另外，虽然混合动力电车辆10显示为具有电AWD系统，但是在本发明范围中本领域技术人员应理解，本发明可以容易地用在前轮驱动(FWD)或后轮驱动(RWD系统。附图中的详细的描述和显示是对本发明的支持和描述，而本发明的范围仅通过权利要求限定。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年4月18日递交的美国临时专利申请NO.61/625,963的权益，该申请通过引用合并与此。

Claims (7)

1.一种使用排气为混合动力车辆中的电池加热和充电的系统，包括:
排气热量回收装置，即EGHR装置，具有EGHR换热器，用于将热能传递到热传递流体；
温度传感器，用于感测电池的温度；
充电状态指示器，用于指示电池的充电状态；
控制器，用于监视来自温度传感器的信号和来自充电状态指示器的信号；
第一换热器，用于与电池的电池覆盖板热连接，其中第一换热器从热传递流体接收热能且热连接到电池覆盖板，从而电池的温度升高；和
第二换热器，用于为电池充电，其中第二换热器从热传递流体接收热能且热连接到热电装置，这使得电流流动，为电池充电，从而电池的充电状态升高；
其中基于电池的温度和电池的充电状态中的至少一个，控制器使得热传递流体流动到第一换热器和第二换热器中的至少一个；
第一流体流动控制阀，具有第一位置、第二位置和第三位置，该第一位置用于在控制器确定电池的温度低于第一预定温度时将基本上所有热传递流体传送到第一换热器，该第二位置用于在控制器确定电池的温度在第一预定温度和第二预定温度之间且电池的充电状态低于预定水平时将热传递流体传送到第一换热器和第二换热器两者，该第三位置用于在控制器确定电池的温度大于第二预定温度且电池的充电状态低于预定水平时将基本上所有热传递流体传送到第二换热器，和
第二流体流动控制阀，具有第一位置和第二位置，该第一位置用于在控制器确定电池的温度在第一预定温度和第二预定温度之间且电池的充电状态低于预定水平时将热传递流体传送到EGHR换热器和第二换热器两者，该第二位置用于在控制器确定电池的温度高于第二预定温度且电池的充电状态低于预定水平时将基本上所有热传递流体传送到第二换热器。
2.如权利要求1所述的系统，其包括内燃发动机，以生产具有热能的排气，以便在EGHR装置中使用。
3.如权利要求2所述的系统，其中EGHR装置安装为与靠近电池相比更靠近内燃发动机，以便将更多热能提供到热传递流体。
4.如权利要求1所述的系统，其中第一换热器是液体堆叠换热器。
5.如权利要求1所述的系统，其中热电装置为珀尔帖发电机。
6.一种方法，用于使用具有热能的排气和在热传递回路中的热传递流体为混合动力车辆中的电池充电和加热，所述电池具有电池覆盖板，所述热传递回路包括第一换热器、第二换热器和热电装置，该方法包括:
确定电池的温度；
确定电池的充电状态；
将具有热能的排气热连接到热传递流体；
如果电池的温度低于第一预定温度和第二预定温度中的一个则将第一换热器热连接到热传递流体，从而第一换热器接收热传递流体且热连接到电池覆盖板，从而电池的温度升高；和
如果电池的温度在第一预定温度和第二预定温度之间且电池的充电状态低于预定充电状态，则将第二换热器热连接到热传递流体，从而第二换热器接收热传递流体且热连接到热电装置，所述热电装置使得电流流动，以为电池充电，从而电池的充电状态升高；
其中热传递回路进一步包括第一流体流动控制阀和第二流体流动控制阀，用于控制热传递流体的流动，其中方法进一步包括:
如果电池的温度低于比第二预定温度更低的第一预定温度，则将第一流体流动控制阀到第一位置，在该第一位置中基本上所有热传递流体流动到第一换热器；或如果电池的温度比第一预定温度更高且比第二预定温度更低且电池的充电状态低于预定水平，则将第一流体流动控制阀打开到第二位置，在该第二位置中热传递流体流动到第一换热器和第二换热器；或如果电池的温度大于第二预定温度且电池的充电状态低于预定水平，则将第一流体流动控制阀打开到第三位置，在该第三位置中基本上所有热传递流体流动到第二换热器；和
在控制器确定电池的温度在第一预定温度和第二预定温度之间且充电状态低于预定水平时，将第二流体流动控制阀打开到第一位置，以用于让热传递流体流动到排气热量回收换热器和第二换热器两者；或在控制器确定电池的温度高于第二预定温度且充电状态低于预定水平时，将第二流体流动控制阀打开到第二位置，以用于让基本上所有热传递流体流动到第二换热器。
7.如权利要求6所述的方法，其中持续将第一换热器热连接到热传递流体，直到电池的温度高于第二预定温度。
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