CN103963605B - 车辆热泵系统和利用蓄热的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种热泵系统，其用在具有乘客车厢和蓄热介质的车辆中。提供了一种用于向车辆乘客车厢提供热的方法。车辆可以具有仅有电的车辆模式，其中车辆可具有主动电驱动状态和非主动状态之一。热泵系统可以包括构造为用于存储在非主动状态期间产生的热的蓄热介质。蓄热介质可以是具有与流体介质可交换热容量的装置，例如为可再充能量存储系统（RESS）或者相变材料。由蓄热介质在车辆充电事件期间存储的热在主动电驱动状态期间可从蓄热介质通过热泵系统传输到乘客车厢。

Description

车辆热泵系统和利用蓄热的方法

技术领域

本发明涉及车辆热泵系统和方法，其利用蓄热来向车辆乘客车厢提供热。

背景技术

混合电动车辆选择地单独地或者结合（一个或者多个）牵引马达地利用内燃机作为向传动装置的输入扭矩源，而增程电动车（EREV）仅在需要时使用较小的发动机，并且仅给发电机提供动力。电池电动车先使用小型燃气发动机，并代替使用存储的电能或者再生的刹车能的操作。所有的三种车辆结构可以仅在电力下操作，这被称为电动车（EV）模式。

在上述车辆的实施例的一些中，可再充能量存储系统（RESS）被用于交替地存储和释放用于驱动（一个或者多个）牵引马达所需的实质量的电能。RESS可以包括具有多个电池模块的电池组，每个电池模块包含多个圆柱状或者平坦/扁平状的单电池。电池组在操作中产生热。有效地消散产生的热对于优化车辆性能是必要的。因此，热管理系统被结合电池组使用，以使得一定体积的合适的冷却剂循环通过电池组和任何关联的电力电子件，并且使得另一合适的冷却剂循环通过有功的冷却回路，来控制乘客车厢的温度。

发明内容

在这样的系统中，存在从可再充能量存储系统（RESS）或者其它蓄热部件向另一介质进行热交换的可能性。这种热交换允许在车辆充电事件的过程中存储热量，并且使得该存储的热量通过有效的冷却系统传送到乘客车厢中，允许在更寒冷的环境温度下有更有效的热泵系统。

因此，提供了用在车辆中的热泵系统，车辆具有乘客车厢和电池组。车辆可具有在EV模式下的主动电驱动状态和非主动状态。热泵系统可以包括蓄热介质，其配置为用于存储在非主动状态期间产生的热量和/或使用加热器主动地增加的热量。该由蓄热介质在车辆充电事件期间存储的热量可以从蓄热介质通过热泵系统在主动电驱动状态下输送到乘客车厢，该主动电驱动状态包括在驱动之前进行舱室预调节。

该热泵系统可进一步包括第一冷却剂回路、制冷回路和第二冷却剂回路。第一冷却剂回路可构造为用于循环第一冷却剂，以吸收来自蓄热介质的热量，该蓄热介质具有可与流体介质进行交换的热容量。制冷回路可构造为用于让制冷剂循环流动，以通过第一换热器吸收来自第一冷却剂的热量。第二冷却剂回路可构造为用于让第二冷却剂循环流动，以通过第二换热器吸收来自制冷剂的热量，并且加热乘客车厢。

蓄热介质可以是能够蓄热的任何装置。该蓄热介质例如可以是容纳电池组的可再充能量存储系统（RESS）、容纳电力电子件的RESS、围绕电池组定位在绝缘体周围并且用作电池组周围的绝缘体的相变材料中的一种，或者仅为一块相变材料。

还提供了用于向车辆乘客车厢提供热的方法。该方法可以包括如下步骤：在非主动状态期间在蓄热介质中存储热量；和，在主动电驱动状态期间使得热量从蓄热介质传输到车辆乘客车厢，以加热车辆乘客车厢，这包括在驱动之前进行舱室预调节。

使得热量从蓄热介质传输到车辆乘客车厢可包括如下步骤：通过循环流动通过第一冷却剂回路的第一冷却剂吸收存储在蓄热介质中的热量；通过第一换热器在第一冷却剂和制冷剂之间进行热交换；通过第二换热器使得热量从制冷剂传输到第二冷却剂，第二冷却剂循环流动通过第二冷却剂回路；让第二冷却剂循环流过加热器芯；并且使得热量从第二冷却剂和加热器芯传输到流动通过加热器芯并且进入到车辆乘客车厢中的空气，以加热所述车辆乘客车厢。

当结合附图来考虑时，从下面的用于实现由所附的权利要求书限定的本发明的一些最佳方式和其他实施例的具体说明中，容易地显而易见本发明的上述特征和优势以及其他特征和优势。

附图说明

图1是具有蓄热介质的车辆热泵系统的示意回路图。

图2是蓄热介质是RESS的车辆热泵系统的示意回路图。

图3是蓄热介质是相变材料的车辆热泵系统的示意回路图。

图4是示出了向处于电动车（EV）模式下的车辆乘客车厢提供热的方法的步骤的流程图。

图5是使得将热从蓄热介质转移到车辆乘客车厢所需的步骤具体化的流程图。

具体实施方式

下面的说明和附图指的是典型的实施例，并且实际上仅是为了说明，不是为了限制本发明、其应用或者用途。附图中，有些部件以合乎标准或者基本的符号示出。这些符号是表示性的并且仅用作解释说明，绝不是限定为所示的任何具体的结构、所示的不同结构之间的组合或者权利要求。所有的部件的说明都是开放型的，并且部件的任何示例都是非穷举的。

参照附图，其中，在几幅图中，相同的附图标记对应相同或者相似的部件，提供了用在车辆100中的用于利用热存储来加热乘客车厢102的热泵系统101。

一般参照图1，车辆100可包括热泵系统101、乘客车厢102、发动机119和电池组104。车辆100可以是具有混合操作模式和EV操作模式的混合或者增程电动车。在混合模式下，车辆100使用电力和来自发动机119的动力运行。在EV模式下，车辆仅以电力运行。

车辆100可具有两种状态：非主动状态，其中，车辆100被关闭，并且其中车辆100的电源被充电或者已经到达了满电荷的水平；和，主动驱动状态，其中，车辆在EV模式下消耗电源，以推进并且驱使车辆。电源可以包括简单的电池组104或者结合有高压电池104的RESS，或者另一类似的电源。

热泵系统101可包括蓄热介质103、第一冷却剂回路105、制冷回路106和第二冷却剂回路107。蓄热介质103可以在非主动状态下存储热。存储在蓄热介质103中的热可以包括来自电池组104的废热或者使用加热器109主动增加的热量。

在主动驱动状态期间，热泵系统101可将存储在蓄热介质103中的热量通过第一冷却剂回路105、制冷回路106和第二冷却剂回路107传送到车辆100的乘客车厢102中。

具体地参照图1，第一冷却剂回路105可通过第一冷却泵128让第一冷却剂循环流动。第一冷却回路105可以包括加热器109,、蓄热介质103和第一换热器108。加热器109可构造为用于加热第一冷却剂并且引导第一冷却剂通过蓄热介质103，以吸收在非主动状态期间存储在其内的热量。冷却剂随后可被引导到第一换热器108上。

第一换热器108可包括第一冷却剂腔121和制冷剂腔122。第一换热器108可构造为用于在流动通过第一冷却剂腔121的第一冷却剂和由制冷回路106循环而流动通过第一制冷腔122的制冷剂之间进行热交换。第一换热器108可以构造为用于在第一冷却剂和由制冷回路106循环的制冷剂之间进行热交换。第一换热器108可以是冷却器，其可用作蒸发器，用于消散从第一冷却剂到制冷剂的热量。

蓄热介质103可以是任何能够存储热量的装置。蓄热介质103可以例如是下列中的一个：容纳电池组（在图2中示出为104）的可再充能量存储系统（RESS）；容纳电力电子器件的RESS；定位在电池组周围且用作电池组周围的绝缘体的相变材料（在图3中示出）；或者仅有相变材料。

在图2示出的一个典型的实施例中，蓄热介质103可以是可再充能量存储系统（RESS），其容纳液冷式电池104。液冷式电池104在非主动状态下放出大量的热。该热量可以被存储在蓄热介质/RESS103中，并且在EV主动驱动状态期间被传送到车辆乘客车厢102中，以加热乘客车厢102。存储在蓄热介质103中的热可通过第一冷却剂回路105被传输到乘客车厢102中，该第一冷却剂回路105使得第一冷却剂循环流动通过RESS103，以吸收来自车辆电池104的热。

在另一典型实施例中，如图3所示，蓄热介质103是定位在车辆电池104周围的相变材料。该相变材料可以是共晶体、盐合水和其他有机材料中的一种，所述有机材料例如为蜡、油、脂肪酸和聚乙二醇或者类似物。液冷式电池104在非主动状态放出大量的热。该热量可以被存储在蓄热介质/相变材料103中，并且在EV主动驱动状态期间被传输到车辆乘客车厢102，以加热乘客车厢102。存储在蓄热介质103中的热量可通过第一冷却剂回路105被传输到乘客车厢102中，该第一冷却剂回路105使得第一冷却剂循环流动通过相变材料103，以从其吸收热。

通常参照图1-3，热泵系统还包括构造为用于让制冷剂循环流动,并且用于为乘客车厢102除湿的制冷回路106和构造为用于使得第二冷却剂循环流动以加热乘客车厢102的第二冷却剂回路107。

制冷回路106可包括压缩机110、第一换热器108、第二换热器111、第一膨胀装置114、第二膨胀装置115和第三换热器116。

压缩机110可构造为用于压缩制冷剂。压缩机110可被电马达（未示出）驱动，该电马达可以是单速或者变速类型。压缩机110也可以是由连接到推进系统（未示出）的带驱动的泵。压缩机110还可以构造为用于从第一换热器108和第三换热器116中的一个接收制冷剂气体。压缩机110可使得制冷剂气体加压到高压状态，并且将该压缩的制冷剂气体排出到第二换热器111。

该第二换热器111可包括制冷剂腔112和第二冷却剂腔113。第二换热器111可以是制冷剂-冷却剂热泵冷凝器，其构造为用于冷却且冷凝制冷剂，并且在流动通过制冷剂腔112的制冷剂和流动通过第二冷却剂腔113的第二冷却剂之间进行热交换。第二换热器111可从压缩机110接收制冷剂，并且从旁通阀118和发动机119中的一个接收第二冷却剂。第二换热器111可在加压的制冷剂气体流动通过制冷剂腔112时从该加压的制冷剂气体中提取热量，以达到使得加压的制冷剂气体被冷却并被冷凝到在其中它编程液体状态的程度。当制冷剂流动通过第二制冷剂腔112时从该制冷剂抽取的热量可以被传输到流动通过第二冷却剂腔113的第二冷却剂。

第二换热器111可进一步构造为用于使得来自制冷剂腔112的制冷剂通过制冷剂回路106排出到第一膨胀装置114和第二膨胀装置115中的一个。第二换热器111也可构造为用于使得来自第二冷却剂腔113的第二冷却剂排出到第二冷却剂回路107中的冷却剂加热器芯117，这将在下面进行说明。

在乘客车厢102需要冷却而非加热的情况下，制冷回路106也可包括第四换热器123，其被用来代替第二换热器111。第四换热器123可以是制冷剂-空气冷凝器。第四换热器123可从压缩机110接收加压的制冷剂气体，并且当加压的制冷剂气体流动通过时可使其冷却且冷凝到这样的程度：使得加压的制冷剂气体被冷却且冷凝到其能再回到液体状态的点。在这样的例子中，第四换热器123可使得制冷剂排出到第一膨胀装置114和第二膨胀装置115中的一个。

制冷剂回路106的第一膨胀装置114和第二膨胀装置115可构造为用于从第二换热器111的制冷剂腔112中接收制冷剂，并且进一步构造为用于允许制冷剂冷却和膨胀。第一和第二膨胀装置114、115可以允许高压液态制冷剂膨胀，在制冷剂离开第一和第二膨胀装置114、115时降低制冷剂的压力。第一和第二膨胀装置114、115可进一步构造为用于在降低了很多的压力下控制并且选择地分别分配制冷剂到用作热泵蒸发器的第一换热器108和用作车厢蒸发器的第三换热器116中的每一个。第一和第二膨胀装置114、115可以是温度调节阀或者热膨胀阀，并且可构造为用于当制冷剂进入到第一换热器108和第三换热器116中的一个时，保持恒定的蒸发器过热状态。各第一膨胀装置114和第二膨胀装置115每一个可以是电装置或者是机械装置。第一和第二膨胀装置114、115例如采用传感器或者测温表来监控离开第一换热器108或第三换热器116的制冷剂的温度，并且可通过更多或粳稻少的制冷剂进入到第一和第三换热器108、116中而提高换热性能。

当需要加热乘客车厢时，第一膨胀装置114构造为用于从第二换热器111的制冷剂腔112中接收制冷剂，并且允许制冷剂冷却和膨胀。如果需要冷却乘客车厢102，那么第一膨胀装置114可构造为用于从第四换热器123接收制冷剂，并且允许制冷剂冷却和膨胀。

第一膨胀装置114可进一步构造为用于使得制冷剂排出到第一换热器108的制冷剂腔122。第一换热器108构造为用于在通过制冷剂回路106循环的制冷剂和第一冷却剂之间进行热交换，并且使得制冷剂排出返回到压缩机110，以完成制冷回路106。

当需要加热乘客车厢时，第二膨胀装置115构造为用于从第二换热器111的制冷剂腔112中接收制冷剂，并且允许制冷剂冷却和膨胀。如果需要冷却乘客车厢，那么第二膨胀装置115可构造为用于从第四换热器123接收制冷剂，并且允许制冷剂冷却和膨胀。

第二膨胀装置115可进一步构造为用于使得制冷剂排出到第三换热器116，用作车厢蒸发器。

第三换热器116可构造为用于将来自流动通过第三换热器116的制冷剂的热量交换到流动通过第三换热器116并且进入到乘客车厢102的空气，以冷却和除湿乘客车厢102。第三换热器116可进一步构造为用于从第二膨胀装置115接收制冷剂，并且使得制冷剂排出返回到压缩机110，以完成制冷回路106。

制冷回路也可以包括多个流动控制阀124、125、126、127，以根据乘客车厢102的加热、冷却和除湿要求，控制通过热泵系统101的制冷回路106的制冷剂的流动以及可选择地分配该制冷剂。

第二冷却剂回路107可通过第二冷却剂泵129让第二冷却剂循环流动。第二冷却剂回路107可以包括加热器芯117、第二换热器111、旁通阀118和车辆发动机119。

第二换热器111可包括制冷剂腔112和第二冷却剂腔113，如上所述。第二换热器111可以是制冷剂-冷却剂热泵冷凝器，其构造为用于冷却和冷凝制冷剂，并且在流动通过制冷剂腔112的制冷剂和流动通过第二冷却剂腔113的第二冷却剂之间进行热交换。第二换热器111可以从制冷剂环路106中的压缩机110接收制冷剂，并且从第二冷却剂回路107中的发动机119和旁通阀118中的一个接收第二冷却剂。旁通阀118可以是三通两位阀，并且可构造为用于使得来自第二换热器111的第二冷却剂被引导流动到第二换热器111和车辆发动机119中的一个。在EV模式下，旁通阀118将引导冷却剂流动，以绕过发动机119，并且使得第二冷却剂直接排出到第二换热器111，以加温乘客车厢112。在混合模式下，旁通阀118可引导所有的第二冷却剂都流动到车辆发动机119，以利用发动机废热来加热乘客车厢112，其中发动机119然后会使得变热的第二冷却剂排出到第二换热器111，以加热乘客车厢102。

第二换热器111可进一步在加压的制冷剂气体流动通过制冷剂腔112时从其抽取热，达到使得加压的制冷剂气体被冷却且冷凝到变回液态的点的程度。从流动通过制冷剂腔112的制冷剂抽取的热量可传输到流动通过第二冷却剂腔113的第二冷却剂。

第二换热器111可进一步构造为用于使得来自第二冷却剂腔113的第二冷却剂被排出到冷却剂加热器芯117。

冷却剂加热器芯117可构造为用于从第二换热器111接收第二冷却剂。加热器芯117可进一步构造为用于加热流动通过并且被第三换热器116除湿的空气。加热器芯117可利用流动通过的升温的第二冷却剂加热流经并且要进入到乘客车厢102的空气，以加热乘客车厢102。

在流动通过加热器芯117的空气由此通过升温的第二冷却剂被加热之后，热泵系统101已经有效地将存储在蓄热介质103中的热量传输到流动通过第一冷却剂回路105的第一冷却剂、传输到流动通过制冷剂回路106的制冷剂、传输到流动通过第二冷却剂回路107的第二冷却剂并且最终传输到乘客车厢102，以加温乘客车厢102。

如图1-3所示，第一冷却剂回路105、制冷回路106和第二冷却剂回路107可由至少一个控制模块120控制，该控制模块可构造为用于与第一冷却剂泵128、压缩机110和第二冷却剂泵129连通。所述至少一个控制模块120可进一步构造为用于通过至少一个电连接部与第一膨胀装置114和第二膨胀装置115、多个流动控制阀124、125、126、127、以及其他系统通信。

利用存储在蓄热介质103中的热量存储来加热车辆的乘客车厢102，这允许混合动力和增程电动车在较冷的环境温度下以EV模式更有效地运行，因为在冷的环境温度下车辆会利用该存储的能量，而不需要发动机119来燃烧汽油或者燃料来加热乘客车厢102。另外，利用了热泵系统101，其能够传输并且利用存储在蓄热介质103中的热量来加热乘客车厢102，这允许混合动力和增程电动车在-40℃低的极度寒冷的环境温度下以热泵模式运行。

参照图4和5，结合图1和2示出的典型车辆100的结构提供了用于向乘客车厢102提供热量的方法。本方法（在流程图形式中以200示出）可以有利地用于加热具有主动电驱动状态和非主动状态的车辆100的乘客车厢102。

该方法包括如图4所示的步骤201和202。在步骤201，热泵系统101在非主动状态期间在蓄热介质103中存储热量。蓄热介质103可以是可再充能量存储系统（RESS），其容纳液冷式电池104。液冷式电池104在非主动状态期间放出大量的热和/或放出利用加热器109主动地增加到电池的热。蓄热介质103也可以是定位在车辆电池104周围并且能够吸收在非主动状态期间由电池104放出的热量的相变材料。

在步骤202，热泵系统101可以在EV模式下在主动电驱动状态期间使得热量从蓄热介质103传输到车辆乘客车厢102。热量通过第一冷却剂回路105、制冷剂回路106和第二冷却剂回路107传输。

使得热量从蓄热介质103传输到车辆乘客车厢102的步骤202可以包括如图5所示的几个子步骤301-305。

在步骤301，第一冷却剂回路105通过蓄热介质103让第一冷却剂循环流动，以允许第一冷却剂吸收存储在蓄热介质103中的热量。第一冷却剂然后从蓄热介质103被引导到第一换热器108。

在步骤302，第一换热器108吸收并且从蓄热介质103向第一冷却剂以及从第一冷却剂向通过制冷回路106循环流动的制冷剂交换热量。该制冷剂然后被引导通过制冷回路106，并且被引导到第二换热器111。

在步骤303，第二换热器111从现在存在于制冷剂中的蓄热介质103向通过第二冷却剂回路107循环流动的第二冷却剂交换热量。

在步骤304，第二冷却剂然后被引导通过第二冷却剂回路107，并且被引导到加热器芯117。

在步骤305，由蓄热介质103存储的热量从第二冷却剂和加热器芯117被传输到流动通过加热器芯117并且进入到车辆乘客车厢102中的空气，以加热车辆乘客车厢102。

具体的说明和附图以及图片支持并且说明了本发明，但是本发明的范围仅由权利要求书限定。虽然已经具体地说明了用于实现要求保护的发明的有些最佳方式和其他实施例，但是存在用于实现所附权利要求书中限定的本发明的各种替换设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用在车辆中的热泵系统，该车辆具有用于接收经调节的空气的乘客车厢、发动机和可充电车辆电池，所述系统包括：

第一冷却剂回路，其构造为用于使得第一冷却剂循环流动，第一冷却剂回路包括：

加热器，构造为加热第一冷却剂；

蓄热介质，其构造为用于接收和存储通过给可充电车辆电池充电而产生的热量，使得第一冷却剂吸收蓄热介质中存储的热量；

第一换热器，具有第一冷却剂腔和制冷剂腔，使得第一冷却剂循环流动通过第一冷却剂腔；

制冷回路，经由第一换热器与第一冷却剂回路成热交换关系，该制冷回路进一步构造为用于让制冷剂循环流动通过第一换热器的制冷剂腔，使得制冷剂从在第一冷却剂回路中循环流动的第一冷却剂吸收存储的热量，并且调节要被乘客车厢接收的空气；

第二冷却剂回路，其构造为用于让第二冷却剂循环流动，第二冷却剂回路经由第二换热器与制冷剂回路成热交换关系，其中第二换热器包括制冷剂腔和冷却剂腔，且第二换热器构造为在流动通过第二换热器的制冷剂腔的制冷剂和流动通过第二换热器的冷却剂腔的第二冷却剂之间交换热量，使得由制冷回路中的制冷剂从第一冷却剂回路中的第一冷却剂吸收的热量经由第二换热器传输到在第二冷却剂回路中的第二冷却剂；和

其中存储在蓄热介质中的热量通过第一冷却剂回路、制冷回路和第二冷却剂回路被传输到由乘客车厢接收的经调节的空气。

2.根据权利要求1所述的热泵系统，其中，所述车辆具有主动驱动状态和非主动状态中之一。

3.根据权利要求2所述的热泵系统，其中，所述蓄热介质接收和存储在非主动状态期间通过给可充电车辆电池充电而产生的热量；并且，其中，在非主动状态期间在蓄热介质中存储的热量在主动驱动状态期间通过第一冷却剂回路、制冷回路和第二冷却剂回路被传输到车辆乘客车厢。

4.根据权利要求1所述的热泵系统，其中，所述蓄热介质是具有可与流体介质进行交换的热容量的蓄热装置。

5.根据权利要求1所述的热泵系统，其中，所述蓄热介质是容纳车辆电池的可再充能量存储系统(RESS)。

6.根据权利要求1所述的热泵系统，其中，所述蓄热介质是相变材料。

7.根据权利要求6所述的热泵系统，其中，所述相变材料是共晶体、水合盐和有机材料中的一种。

8.一种加热车辆乘客车厢的方法，其包括下列步骤：

在蓄热介质中存储热量，其中蓄热介质构造为用于接收和存储在车辆充电事件期间通过给可充电车辆电池充电而产生的热量；和

经由第一冷却剂回路、第二冷却剂回路和制冷剂回路，使得存储在蓄热介质中的热量从蓄热介质传输到车辆乘客车厢，以加热所述车辆乘客车厢，使得制冷剂回路经由第一换热器与第一冷却剂回路成热交换关系且经由第二换热器与第二冷却剂回路成热交换关系。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，经由第一冷却剂回路、第二冷却剂回路和制冷剂回路使得存储在蓄热介质中的热量从蓄热介质传输到车辆乘客车厢包括下列步骤：

用循环流动通过第一冷却剂回路的第一冷却剂吸收存储在蓄热介质中的热量；

通过第一换热器在第一冷却剂和流动通过制冷回路的制冷剂之间进行热交换；

通过第二换热器使得热量从流动通过制冷回路的制冷剂传输到流动通过第二冷却剂回路的第二冷却剂；

通过加热器芯让第二冷却剂循环流动；并且

使得热量从第二冷却剂和加热器芯传输到流动通过加热器芯并且进入到车辆乘客车厢中的空气，以加热所述车辆乘客车厢。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述车辆具有主动电驱动状态和非主动充电状态；

其中在非主动充电状态期间发生车辆充电事件，使得在非主动充电状态期间热量传输到并存储在蓄热介质中，并且

其中在主动电驱动状态期间经由第一冷却剂回路、第二冷却剂回路和制冷剂回路将存储在蓄热介质中的热量从蓄热介质传输到车辆乘客车厢。