CN105799450A - 蒸汽压缩式热泵系统中的除冰控制 - Google Patents

蒸汽压缩式热泵系统中的除冰控制 Download PDF

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Abstract

公开了蒸汽压缩式热泵系统中的除冰控制。提供一种用于电气化车辆的蒸汽压缩式热泵(VCHP)系统和用于VCHP系统除冰的方法。电气化车辆可包括车舱、VCHP系统和控制器。蒸汽压缩式热泵系统与车舱热连通，并包括外部热交换器和压缩机。控制器可被配置为，响应于检测到与外部热交换器关联的预定义结冰状况，输出命令调节压缩机速度以影响流经压缩机的制冷剂的温度，使制冷剂携带的热量足以在预先选择的时间段内消除预定义结冰状况。所述预定义结冰状况可以是热交换器中已经积冰或有可能积冰的状况。

Description

蒸汽压缩式热泵系统中的除冰控制
技术领域
本公开涉及蒸汽压缩式热泵技术和用于蒸汽压缩式热泵系统的除冰模式。
背景技术
诸如电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、轻度混合动力电动车辆(MHEV)或完全混合动力电动车辆(FHEV)的电气化车辆包含诸如高压(HV)电池的能量储存装置，以充当车辆的推进源。HV电池可包括多个组件和系统以协助管理车辆的性能和运行。通过在热泵系统中流动的制冷剂和冷却液，车舱气候控制系统可与发动机热管理系统一起运行以提供热量的有效分配。基于从监测车辆和环境状况的传感器接收的输入，控制系统可指导(direct)气候控制系统和热管理系统的各个组件的操作。
发明内容
公开了一种用于车辆的蒸汽压缩式热泵系统除冰方法，包括响应于检测到热交换器预定义结冰状况，由控制器输出命令以将压缩机的输出从第一速度调节到第二速度，第二速度足以在流经热交换器的制冷剂中产生能够减少结冰状况(icecondition)的热量。结冰状况可以是在热交换器已经积冰或有可能积冰的状况。所述检测到热交换器预定义结冰状况可基于环境状况和热交换器的运行模式。控制器可执行无扰动切换算法来调整第一速度和第二速度之间的调节，以符合预定义的噪声、振动和声振粗糙度标准。所述调节可以将压缩机速度调节到预先选择的恒定速度。响应于未检测到预定义结冰状况达预定时间段，控制器可以输出命令以进一步调节压缩机输出，以使压缩机的速度降低。响应于制冷剂中预定义热量和压缩机预定义速度的存在，控制器可以输出控制信号以激活气候控制系统，以将车舱气候状况更改为预定状态。控制器可执行算法以控制气候控制系统执行器的输出，以将气候状况更改为预定状态。
一种电气化车辆，包括车舱、蒸汽压缩式热泵系统和控制器。蒸汽压缩式热泵系统与车舱热连通，并包括外部热交换器和压缩机。控制器被配置为，响应于检测到与外部热交换器关联的预定义结冰状况，输出命令来调节压缩机速度，以影响流经压缩机的制冷剂的温度，使得制冷剂携带的热量足以在预先选择的时间段内消除预定义结冰状况。可以调节压缩机的速度以使车舱的气候状况在预定范围以内。预定义结冰状况可以是热交换器已经积冰或有可能积冰的情况。可以调节压缩机的速度以使制冷剂达到足以至少部分融化积冰的温度。控制器可以被进一步配置为执行用来调整速度调节的无扰动切换算法，从而防止速度扰动事件。控制器可以被进一步配置为执行用来调整速度调节的无扰动切换算法，以符合预定义的噪声、振动和声振粗糙度标准。
用于电气化车辆的蒸汽压缩式热泵系统，包括热交换器、一个或更多个传感器、压缩机、分配管路和控制器。一个或更多个传感器监测热交换器状况和预先选择的环境状况。分配管路分配通过系统的制冷剂。控制器被配置为响应于来自传感器的指示检测到热交换器结冰状况的输入而开始除冰模式，该除冰模式执行速度命令过渡映射以调节压缩机速度，以使流经热交换器的制冷剂达到足以融化冰的温度。在除冰模式中，控制器可以被进一步配置以执行用来调整速度调节的无扰动切换算法，以符合预定义的噪声、振动和声振粗糙度标准。结冰状况可以是热交换器已经积冰或有可能积冰的状况。调节速度包括提高速度。控制器可以被进一步配置为预定义时间段结束时降低速度。
附图说明
图1是示出电气化车辆示例的示意图；
图2是示出蒸汽压缩式热泵(VCHP)系统的系统结构示例的示意图；
图3是示出图2中VCHP系统的冷却模式示例的示意图；
图4是示出图2中VCHP系统的加热模式示例的示意图；
图5是示出用于图2中VCHP系统的控制子系统架构示例的框图；
图6是示出用于图5中控制子系统架构的操作算法示例的流程图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解公开的实施例仅为示例并且其它实施例可以采用各种替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征会被夸大或最小化，以显示特定部件的细节。所以，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限定，而仅作为教导本领域的技术人员以多种方式使用本公开的实施例的代表性基础。本领域技术人员应理解，参考任一附图示出和描述的各种特征可以与一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的组合特征提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征变型可以期望用于特定应用或实施。
图1描绘一种插电式混合动力电动车辆(PHEV)示例的示意图。插电式混合动力电动车辆12可包括机械地连接到混合动力变速器16的一个或更多个电机14。电机14可以作为马达或发电机运行。此外，混合动力变速器16机械地连接到发动机18。混合动力变速器16还机械地连接到驱动轴20，驱动轴20机械地连接到车轮22。当发动机18开启或关闭时，电机14可以提供推进和减速的能力。电机14还用作发电机，并且能够通过回收在摩擦制动系统中正常情况下作为热量损失掉的能量来提供燃料经济效益。由于混合动力电动车辆12可在一定条件下按照电动模式或者混合模式运行以减少车辆12的整体燃料消耗，因此电机14还可提供降低的污染物排放。
牵引电池或电池组(batterypack)24储存和提供可以被电机14使用的能量。牵引电池24基本上从牵引电池24中的一个或更多个电池单元阵列(有时称为电池单元堆)提供高电压直流(DC)输出。电池单元阵列可包括一个或更多个电池单元。牵引电池24通过一个或更多个接触器(未示出)电连接到一个或更多个电力电子模块26。所述一个或更多个接触器在断开时使牵引电池24与其它组件隔离，而在闭合时将牵引电池24连接到其它组件。电力电子模块26还电连接到电机14，并且在牵引电池24和电机14之间提供双向传输电能的能力。例如，典型的牵引电池24可以提供DC电压，而电机14可能需要三相交流(AC)电压来运转。电力电子模块26可以将DC电压转换为电机14所需要的三相AC电压。在再生模式下，电力电子模块26可以将来自用作发电机的电机14的三相AC电压转换为牵引电池24所需要的DC电压。在此的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力传动装置16可以是连接到电机14的齿轮箱并且发动机18会不存在。
牵引电池24除了提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电气系统的能量。典型的系统可包括将牵引电池24的高电压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低电压DC供应的DC/DC转换器模块28。其它高电压负载(例如，压缩机和电加热器)可不使用DC/DC转换器模块28直接连接到高电压。在典型的车辆中，低电压系统电连接到辅助电池30(例如，12V电池)。
电池电控制模块(BECM)33可与牵引电池24通信。BECM33可用作牵引电池24的控制器，并且还可包括管理每个电池单元的温度和荷电状态的电子监测系统。牵引电池24可具有温度传感器31，例如，热敏电阻或其它温度表。温度传感器31可与BECM33通信，以提供关于牵引电池24的温度数据。温度传感器31还可位于牵引电池24内的电池单元上或附近。还可以考虑使用多于一个温度传感器31以监测多个电池单元的温度。
例如，车辆12可以是诸如插电式混合动力电动车辆(PHEV)、完全混合动力电动车辆(FHEV)、轻度混合动力电动车辆(MHEV)或电池电动车辆(BEV)的电气化车辆，其中，牵引电池24可通过外部电源36进行再充电。外部电源36可以连接到电源插座。外部电源36可电连接到电动车辆充电设备(EVSE)38。EVSE38可提供电路和控制以调节并管理电源36与车辆12之间的电能的传输。外部电源36可向EVSE38提供DC电或AC电。EVSE38可具有用于插入到车辆12的充电端口34中的充电连接器40。充电端口34可以是被构造为将电力从EVSE38传输到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可电连接到充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可以调节从EVSE38供应的电力，以向牵引电池24提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块32可与EVSE38交互，以协调向车辆12的电力传递。EVSE连接器40可具有与充电端口34的对应的凹入匹配的插脚。
所讨论的各种组件可具有用于控制并监测组件操作的一个或更多个相关联的控制器。控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由离散的导线进行通信。
在一定条件下，电气化车辆(如PHEV和BEV)可能需要替代热源，以代替或补充传统内燃发动机释放(rejected)的热量来满足车舱加热的目标。车辆压缩热泵技术可通过将能量使用的量控制在温暖的环境条件来提供可以被接受的车舱加热输出。图2示出了蒸汽压缩式热泵(VCHP)系统的例子，在此一般被引用为VCHP系统100。可以配置遍及VCHP系统的多个温度传感器101和压力传感器102以辅助其进行状态监测。VCHP系统100可以包括压缩机104，压缩机104可与热回路中的各种阀配置组合提供用于加热和制冷两种模式的制冷剂压缩。热交换器，例如蒸发器105，可包括用于制冷剂和车舱空气流流过的路径。来自车舱的温暖空气可以借助送风机(未示出)或其它适合的组件通过蒸发器105，以使制冷剂可以在到压缩机104的途中从温暖空气吸收热量。热交换器106可便于制冷剂与发动机冷却液回路112中的冷却液的相对流动(counter-flow)。
例如，发动机冷却液回路112可包括发动机120、散热器122和冷却液加热器芯124。冷却液泵130、加热芯隔离阀(HCIV)132和辅助冷却液泵134可以便于冷却液在发动机冷却液回路112内的分配。传感器，诸如温度传感器138，可测量发动机冷却液回路112的状况以辅助便于冷却液的分配。热交换器106可以操作，以促进冷却液和制冷剂之间的热传递。
外部热交换器108与压缩机104和蒸发器105一起运行，并可在VCHP系统处于冷却模式时，作为释放从车舱去除的热的管道(conduit)。例如在图3中示出的，环境空气可在送风机109的协助下进入外部热交换器108。主动进气格栅系统107可被选择地打开或关闭以控制进入外部热交换器108的气流。从压缩机104流出的制冷剂以相对于流经外部热交换器108的环境空气横流(crossflow)的方式通过外部热交换器108，这样使得热量从制冷剂传递出来(由箭头B代表)。在冷却模式中，第一止回阀143(未在图3中示出)打开并且第一旁通阀144关闭(未在图3中示出)，以使制冷剂在到蒸发器105的途中流经第一膨胀阀148。来自车舱的空气进入蒸发器105，并且蒸发器温度传感器146可监测蒸发器105的温度状况，以协助第一膨胀阀148的引导操作。蒸发器105便于从空气到制冷剂的热交换(由箭头A代表)，以使制冷剂在到压缩机104的途中转化为气态，并且现在较冷的空气从蒸发器105释放到车舱中。第二旁通阀152和第二膨胀阀154还可便于引导制冷剂流遍VCHP系统100。例如，第二旁通阀152可选择性地打开或关闭，以使制冷剂可以流向蒸发器105或者外部热交换器108。在冷却模式中，第一膨胀阀148可以被节流而第二膨胀阀154完全打开。
图4示出了VCHP系统100的加热模式的操作例。来自环境空气的热量可以通过外部热交换器108被带入VCHP系统100(由箭头C代表)。例如，当受送风机109作用时，环境空气可通过主动进气格栅系统107和外部热交换器108。流经外部热交换器108的制冷剂可在到热交换器106的途中通过压缩机104。来自制冷剂的热量可经由热交换器106传递到发动机冷却液回路112的冷却液中(由箭头D代表)。现在较热的冷却液可穿过冷却液加热器芯124并被释放进车舱内(由箭头E代表)。在某些加热模式中，如图4中所显示的加热模式，操作辅助冷却液泵134以使冷却液运动，并且部分关闭HCIV132以定义隔离回路，该隔离回路可阻止来自发动机120和散热器122的冷却液进入热交换器106。
VCHP系统100也可具有其它运行模式。在运行期间并取决于温度和湿度状况，外部热交换器108可能经受结冰。如果没有恰当处置或去除积冰，积冰会对VCHP系统100的效率造成不利的影响或可能会引起VCHP系统100组件的物理损害。通过调整压缩机104的运行速度以管理流经VCHP系统100的制冷剂的热状况，VCHP系统100的除冰模式可以协助消除这种积冰。例如，除冰模式可以开始一个或更多个命令以指导压缩机104、阀门以及一个或更多个的执行器的操作，从而促进冰累积物的融化。除冰模式可以安全地去除积冰以改善VCHP系统100的运行效率，同时，在模式切换期间使压缩机104的速度改变最小化还可以管理噪音、振动和声振粗糙度(NVH)性能。
图5示出了VCHP系统100的控制子系统架构的例子，在此一般称为架构200。可支持VCHP系统100的控制子系统的例子可包括模式切换系统204、用于正常冷却和加热操作的压缩机速度命令206、用于除冰的压缩机速度命令超越208、无扰动切换算法210、开关系统212和用于除冰模式的气候补偿系统214。控制子系统彼此协作实施除冰模式。例如，控制器(未示出)可调节压缩机104的速度，比如在VCHP系统100处于除冰模式时，相对于其它模式的运行速度增加速度。控制器可以调节受制冷剂压力限制以及压缩机104速度上限约束的压缩机速度。压缩机104增加的速度可以协助在流经VCHP系统100的制冷剂中产生比正常加热运行更高的大量的热，并且如在此进一步所描述，并由此而去除外部热交换器108上的积冰。也可调节VCHP系统100其它组件的运行以协助去除积冰。例如，可打开膨胀阀以避免增加的制冷剂冷却趋势。在另一个例子中，压缩机104的速度可以是各种输入(诸如控制器可访问的校准表中所包括的预定义状况以及环境温度)的函数。
模式切换系统204可输出信号，以基于预定和可测量状况指示VCHP系统100当前运行模式。例如，所述状况包括各种温度、气候请求(如用户对气候控制界面的输入)和积冰。关于输出信号的运行模式的例子包括加热模式、冷却模式和除冰模式。如果VCHP系统100处于加热和冷却模式，用于正常冷却和加热操作206的压缩机速度命令系统承担压缩机104速度命令生成(commandgeneration)的运行控制。命令生成可基于检测到一个或更多个预定义状况(诸如预定义结冰状况)，并运用闭环结构，从而压缩机104速度的运行使得蒸发器105(在冷却模式中)的温度或冷却液加热器芯124(在加热模式中)的温度达到预定水平。
预定义结冰状况的例子可包括冰已经在外部热交换器108上积累的状况以及可测量的变量的组合指示外部热交换器108上的积冰有可能发生的情况。另一个预定义结冰情况可以是基于时间的区段(与接收或不接收显示积冰或积冰即将发生的可能性的信号有关)已到期的状况。例如，不管接收的信号是否表示除冰模式正运行在预定时间限制内，模式切换系统204都可以指导跳出除冰模式，其中，预定时间限制可基于气候控制系统的表明车舱的气候状况不在乘客的预定舒适范围之内的性能属性。如果检测到外部热交换器108上预定义结冰状况中的一个状况，模式切换系统204可以输出控制信号到用于除冰的压缩机速度命令超越208，以将VCHP系统100切换到除冰模式并承担压缩机104取得速度命令生成的控制。在一定条件下，当VCHP系统100检测到预定义结冰状况中的一个状况时，可以不立刻切换到除冰模式。例如，VCHP系统100可延迟变换到除冰模式，以使VCHP系统100内的其它组件为了除冰模式做准备或避免驾驶员或乘客可注意到的组件的意外的变换行为。
相对于冷却和加热模式，对于除冰模式的压缩机104速度命令通常是不同的。压缩机104速度命令之间的变换有时可导致速度扰动事件。速度扰动事件可被描述为压缩机速度变换，该变换会损害压缩机104的耐用性和NVH状况。在模式之间变换过程中监测压缩机104的运行可以提供信息以协助防止速度扰动事件或使速度扰动事件最小化。控制器可运用算法以辅助VCHP系统100的指导操作。
例如，无扰动切换算法210可包括除冰前馈信号和正常前馈信号。每个前馈信号可包含在运行模式之间过渡的瞬间的命令差别的初始值。前馈信号也可以以指数的方式减少到0并关于可校准时间恒定。当最初过渡到另一个运行模式时，前馈信号可以保持当前压缩机104速度命令，然后可逐渐减弱。当VCHP系统100过渡到除冰模式时，正常运行模式下的积分器增益还可被重置。然后积分器增益可以以指数方式达到预定校准值以协助提供促进压缩机104速度平稳过渡的命令。例如，可将可校准的计时器阈值定义为除冰模式可以运行而对VCHP系统100无损或不对乘客舒适造成负面影响的最大时间段。无论外部热交换器108上的预定义结冰状况中的一个是否出现，一旦达到计时器阈值，VCHP系统100即可退出除冰模式。
操作开关系统212可以基于一个或更多个状况(如VCHP系统100的用于传递到压缩机104的运行模式)和/或其它输入(诸如通过压力传感器和温度传感器所测得的状况)而操作以选择压缩机104速度命令。由于车舱温度可受发动机冷却液回路中的多余的热的影响，用于除冰模式214的气候补偿系统运行，以在VCHP系统100处于除冰模式时管理车舱的气候状态。例如，用于除冰模式214的气候补偿系统可被配置为调节执行器(诸如主动进气格栅系统107、送风机风扇109、发动机冷却风扇215和气候控制通风口216)的运行，以协助保持车舱温度。用于执行器的运行命令可以基于可访问的查找表，查找表包括诸如一些以车舱温度、环境温度、车辆速度和发动机冷却液温度命名的输入，并被统称为输入213。
图6示出了用于在蒸汽压缩式热泵系统中进行除冰控制的算法的例子。所述算法一般由标号300表示，并与VCHP系统100一起运用。在操作304中，一个或更多个传感器可测量蒸汽压缩式热泵系统及其附近的状况。在操作306中，所述一个或更多个传感器可将包括与所测得的状况有关信息的信号传送到控制器。例如，测得的状况可包括环境状况以及蒸汽压缩式热泵系统组件的温度和压力状况。控制器可以评估是否所测得的状况满足预定义结冰状况中的一个。响应于接收指示预定义结冰状况中的一个的出现的信号，控制器可开始从第一运行模式(诸如上述冷却和加热模式)变换到操作308中的蒸汽压缩式热泵系统的除冰模式。在操作310中，控制器可以输出控制信号到指示变换到除冰模式的无扰动切换算法架构。
如上文所述，无扰动切换算法架构可运行以协助促进蒸汽压缩式热泵系统的压缩机的平稳速度过渡。在操作312中，无扰动切换算法架构可生成用于反映预定义NVH标准的压缩机的速度命令过渡映射。例如，速度命令过渡映射可包括一个或更多个命令，这些命令在开环方式下将压缩机速度从当前运行速度调节到除冰速度。除冰速度可以是影响流经压缩机的制冷剂的温度以使制冷剂的温度增加从而在外部热交换器上阻止、缩小或去除积冰的压缩机速度。在操作314中，控制器可以基于速度命令过渡映射将压缩机的速度调节到除冰速度，这样防止、减少或去除预定义结冰状况。
虽然上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解不脱离本公开的精神和范围可以作出各种改变。如上所述，可以组合多个实施例的特征以形成本发明没有明确描述或说明的进一步的实施例。尽管已经将多个实施例描述成就一个或更多个期望特性来说提供了优点或相较于其它实施例或现有技术的实施更为优选，但是本领域技术人员应该认识到，取决于具体应用和实施，为了达到期望的整体系统属性可以对一个或多个特点或特性进行折衷。这些属性可包括但不限于：可销售性、外观、相容性、鲁棒性、客户可接受性、可靠性、精确性等。因此，被描述为在一个或多个特性上相对于其它实施例或现有技术应用不令人满意的实施例也未超出本公开的范围，并且这些实施例对于特定应用能够令人满意的。

Claims (5)

1.一种用于电气化车辆的蒸汽压缩式热泵系统，包括：
热交换器；
一个或更多个传感器，监测热交换器状况和预先选择的环境状况；
压缩机；
分配管路，分配通过所述蒸汽压缩式热泵系统的制冷剂；
控制器，被配置为响应于来自传感器的指示检测到热交换器结冰状况的输入开始除冰模式，该模式执行速度命令过渡映射来调节压缩机速度，以使流经热交换器的制冷剂达到足以融化冰的温度。
2.如权利要求1所述的系统，其中，控制器可以被进一步配置为在除冰模式中执行用来调整速度调节的无扰动切换算法，以符合预定义的噪声、振动和声振粗糙度标准。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述结冰状况是热交换器中已经积冰或有可能积冰的情况。
4.如权利要求1所述的系统，其中，调整速度包括提高速度。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述控制器被进一步配置为当预定义时间段结束时降低速度。
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