CN105835655B - 用于车辆的气候控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于车辆的气候控制系统。一种车辆包括具有热泵子系统的气候控制系统。热泵子系统具有车舱环路和电池环路，车舱环路具有内部热交换器和外部热交换器，电池环路具有电池冷却器。阀门选择性地流体连通地连接车舱环路和电池冷却器。车辆还包括配置用于响应于热泵子系统处于除湿模式而指令阀门关闭以禁止制冷剂流至电池冷却器的控制器。

Description

用于车辆的气候控制系统
技术领域
本发明涉及用于机动车辆的气候控制系统，并且特别地涉及包括热泵子系统和电池充电器的气候控制系统。
背景技术
车辆(比如电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)以及重度混合动力电动车辆(FHEV))包含用作车辆的能量源的牵引电池总成。牵引电池总成包括辅助管理车辆性能和运转的部件和系统。牵引电池总成还包括高压部件。一些混合动力和电动车辆配备有包括用于加热、冷却和/或除湿乘客舱的热泵子系统的气候控制系统。
发明内容
根据本发明的实施例公开一种包括具有热泵子系统的气候控制系统的车辆。热泵子系统具有车舱环路(cabin loop)和电池环路，车舱环路具有内部热交换器和外部热交换器而电池环路具有电池冷却器。阀门选择性地流体连通地连接车舱环路和电池冷却器。车辆还包括被配置为响应于热泵子系统处于除湿模式而指令阀门关闭以禁止制冷剂流至电池冷却器的控制器。
根据本发明的另一个实施例公开了一种具有包括热泵子系统和电池环路的气候控制系统的车辆。热泵子系统具有具有内部热交换器、外部热交换器和压缩机的车舱环路。电池环路具有电池冷却器以及选择性地流体连通地连接车舱环路和电池冷却器的第一可驱动的膨胀装置。车舱环路进一步包括压缩机和外部热交换器之间的第二可驱动的膨胀装置以及外部热交换器和内部热交换器之间的第三可驱动的膨胀装置。车辆进一步包括被配置为响应于热泵子系统处于除湿模式而指令第一膨胀装置至关闭位置以禁止制冷剂流至电池冷却器的至少一个控制器。
根据本发明的又一个实施例公开一种包括热泵子系统的气候控制系统，热泵子系统具有具有内部热交换器和外部热交换器的车舱环路以及具有电池冷却器的电池环路。阀门选择性地流体连通地连接车舱环路和电池冷却器。控制器被配置为响应于热泵子系统处于除湿模式而指令阀门关闭以禁止制冷剂流至电池冷却器。
根据本发明的一个实施例，所述打开位置是部分打开的位置。
根据本发明的一个实施例，控制器被进一步配置为响应于热泵子系统处于除湿模式而指令第二膨胀装置和第三膨胀装置至节流位置并且定期调整节流位置。
根据本发明的一个实施例，热泵子系统进一步包括流体连通地连接车舱环路和电池环路的第一配件以及流体连通地连接车舱环路和电池环路的第二配件，并且其中第一配件设置在外部热交换器和第三膨胀装置之间而第二配件设置在内部热交换器和压缩机之间。
根据本发明的一个实施例，电池环路包括连接在第一配件和冷却器之间的第一管路，并且其中第一膨胀装置在第一管路上。
根据本发明的一个实施例，气候控制系统进一步包括在加热器芯体和中间热交换器之间循环冷却剂的冷却剂子系统，并且将其中中间热交换器设置为当热泵子系统处于加热模式或者处于除湿模式时将来自在热泵内循环的制冷剂的热量转移至冷却剂子系统内的冷却剂。
根据本发明的一个实施例，所述气候控制系统进一步包括在电池冷却器和牵引电池之间循环冷却剂的冷却剂子系统，并且其中将电池冷却器设置为当牵引电池处于冷却模式时将来自在冷却剂子系统内循环的冷却剂的热量转移至热泵子系统内的制冷剂。
根据本发明的一个实施例，内部热交换器设置在车辆的乘客舱内而外部热交换器设置在车辆的发动机舱内。
根据本发明的一个实施例，外部热交换器在除湿模式期间配置为蒸发器而在冷却模式期间配置为冷凝器。
根据本发明的一个实施例，热泵子系统是蒸汽压缩热泵子系统。
根据本发明的一个实施例，进一步包括在加热器芯体和中间热交换器之间循环冷却剂的冷却剂子系统，将其中中间热交换器设置为当热泵子系统处于加热模式或者处于除湿模式时将来自在热泵内循环的制冷剂的热量转移至冷却剂子系统内的冷却剂。
附图说明
图1说明混合动力电动车辆的示意；
图2说明热泵子系统处于加热模式的车辆气候控制系统的示意；
图3说明热泵子系统处于冷却模式的车辆气候控制系统的示意；
图4说明热泵子系统处于并联除湿(parallel dehumidification)模式的车辆气候控制系统的示意；
图5说明热泵子系统处于串联除湿(series dehumidification)模式的车辆气候控制系统的示意；
图6是用于控制车辆气候控制系统的流程图。
具体实施方式
本说明书描述了本发明的实施例。然而，应理解公开的实施例仅为示例，其可以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。所以，此处公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅为教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。本领域内的技术人员应理解，参考任一附图说明和描述的多个特征可以与一个或多个其它附图中说明的特征组合以形成未明确说明或描述的实施例。说明的组合特征提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本发明的教导一致的特征的多种组合和变型可以根据需要用于特定应用或实施。
参考图1，车辆10可以包括动力传动系统12，比如包括第一驱动系统和第二驱动系统的功率分流(power-split)动力传动系统。第一驱动系统包括发动机14和第一电机或发电机16。第二驱动系统包括第二电机或马达18、发电机16和牵引电池总成20。第一和第二驱动系统产生用于驱动一个或多个车辆驱动轮22的扭矩。
可以通过动力传输单元24连接发动机14(比如内燃发动机)和发电机16。动力传输单元24可以是包括环形齿轮26、中心齿轮28和齿轮架总成30的行星齿轮组。本公开还可以预想其它类型的动力传输单元。动力传动系统12可以包括用于连接发电机16至马达18并且用于连接发电机和/或马达至差速器34以分配扭矩至车轮22的额外的齿轮装置32。虽然图1说明了混合动力车辆，车辆10还可以是全电动车辆，这种情况下省略掉发动机14。
参考图2，车辆10包括通过隔板44分开的车舱40以及发动机舱42。发动机舱42容纳气候控制系统46的至少一部分。气候控制系统可以包括热泵子系统48、冷却剂子系统50以及设置在舱40的仪表板(dash)内的通风系统41。气候控制系统46与通风系统41协作提供进入乘客舱40的热空气和/或冷空气。通风系统41包括具有进气侧和排气侧的壳体45。排出侧连接至将流出的空气分配进舱40的管。风机马达用于循环通风系统41中的空气的驱动风机43。
车辆10还包括与气候控制系统46的一个或多个部件电连接以控制系统的运转的一个或多个控制器78。控制器78总体上包括任何数量的微处理器、专用集成电路(ASIC)、集成电路(IC)、存储器(例如闪存、ROM、RAM、EPROM(电可编程只读存储器)和/或EEPROM(电可擦除可编程只读存储器))以及彼此协作以执行一系列操作的软件代码。控制器还包括基于计算和测试数据并且存在在存储器内的预定的数据或“查值表”。控制器78可以通过使用共用总线协议(例如控制器局域网(CAN)或局域互联网(LIN))的一个或多个有线或无线车辆连接与其它车辆系统和控制器通信。
热泵子系统48可以是循环传输热能至气候控制系统46的多个部件的制冷剂的蒸汽压缩热泵子系统。热泵子系统48可以包括具有压缩机54、外部热交换器56、内部热交换器58、储液器60、配件、阀门和膨胀装置的车舱环路52。外部热交换器56可以位于车辆前端附近的格栅后面，而内部热交换器58可以设置在通风系统41的壳体45内。通过多个管、管道、挠性管或管路以闭环连接车舱环路部件。例如，第一管66流体连通地连接压缩机54和外部热交换器58、第二管68流体连通地连接内部热交换器56和外部热交换器58而第三管70流体连通地连接内部热交换器56和压缩机54。第一旁通管72连接外部热交换器56至管70，而第二旁通管76连接管66至管68。每个旁通管可以包括用于打开和关闭该旁通的阀62、63(比如电磁阀)。第一膨胀装置80可以设置在管66上而第二膨胀装置82可以设置在管68上。膨胀装置配置用于改变热泵子系统48的制冷剂的压力和温度。膨胀装置可以包括通过控制器78控制的电动驱动器。控制器78可以指示驱动器以将膨胀装置定位在全开(wide-open)位置、全关位置或节流位置。节流位置是控制器调整阀门打开的尺寸以调整通过膨胀装置的流动的部分打开的位置。控制器78和膨胀装置配置用于响应于系统工况而持续地或定期地调整节流位置。通过节流膨胀装置的位置，控制器可以根据需要调整制冷剂的流动、压力、温度和状态。
热泵子系统48还包括具有冷却器85和第三膨胀装置86的电池环路84。电池环路84可以包括在配件88处连接至管68并且连接至冷却器85的供给管87。膨胀装置86在供给管87上。膨胀装置86可以类似于膨胀装置80和82。回流管89流体连通地连接电池冷却器85和管70。回流管89可以与管70流体连通地连接。回流管89可以经由配件74与管70连接。
电池冷却环路100调整牵引电池20的温度并且与冷却器85流体连通。电池冷却环路100可以包括形成用于牵引电池20的冷却闭环的散热器104、泵102以及多个管106。电池冷却器85促进热泵子系统48和电池冷却环路100之间的热能转移。电池冷却器85可以具有任何适当的配置。例如，冷却器85可以具有促进热能转移且不混合电池冷却剂回路100和热泵子系统48中的传热流体的板翅、管翅或管-壳配置。电池冷却剂回路100可以独立于气候控制系统46运转并且能够经由散热器104散发来自牵引电池20的热量。电池冷却剂回路100可以包括当使用冷却器时用于旁通散热器的旁通管路(未显示)。电池冷却剂环路100还可以与气候控制系统46协同运转以利用电池冷却器85散热。例如，如果牵引电池特别热，可以使用电池冷却器85和散热器104两者以散发牵引电池20内的热量。
冷却剂子系统50可以包括形成用于循环冷却剂的闭环的加热器芯体90、泵92、阀94以及多个管。在混合动力车辆的情况下，冷却子系统50与内燃发动机14流体连通。发动机14产生的废热被冷却剂捕获并且循环至设置在通风系统41内的加热器芯体90。通风系统41的一个或多个风机43循环空气至加热器芯体90上方以及穿过加热器芯体90以提供进入车舱40的暖气。可以驱动混合门(blend door)64以调节离开壳体的空气的温度。冷却剂子系统50可以包括当可用的废热不充足时用于旁通发动机14的旁通管96。通过可以通过控制器78电动控制的阀94控制旁通管96的打开和关闭。如果车辆10是全电动车辆，发动机14被省略掉并且可以通过用于提供热能至冷却剂子系统50的电热元件替代，或者冷却剂子系统50可以不包括加热器。在一些实施例中，混合动力电动车辆可以包括当发动机14关闭或冷却时提供热量至冷却剂子系统50的电加热器。冷却剂子系统50可以经由中间热交换器98从热泵子系统48汲取热量以提供至车舱40的加热。
中间热交换器98促进冷却剂子系统50和热泵子系统48之间的热能转移。中间热交换器98可以是冷却剂子系统的一部分、热泵子系统48的一部分或者其两者的一部分。中间热交换器98可以具有任何适当的配置。例如，中间热交换器98可以具有促进热能转移且不混合冷却剂子系统50和热泵子系统48中的传热流体的板翅、管翅或管-壳配置。中间热交换器98可以连接至热泵48的第一管66并且连接至冷却剂子系统50的管中的一个。
可以多种不同的模式(比如加热模式、冷却模式、并联除湿模式和串联除湿模式)运转热泵子系统48。图2说明以加热模式运转的热泵子系统48。在加热模式中，压缩机54将制冷剂加压成循环至中间热交换器98的热蒸汽。来自制冷剂的热能转移进循环通过热交换器98的冷却侧的冷却剂以加热冷却剂子系统50中的冷却剂。泵92将已加热的冷却剂循环至加热器芯体90以加热车舱40。中间热交换器98作为使制冷剂冷凝成液体的冷凝器运转。随后，制冷剂通过第一膨胀装置80，该膨胀装置处于节流位置。在进入外部热交换器56之前膨胀装置80减小制冷剂的压力并且降低制冷剂的温度。控制器78可以对膨胀装置80节流以确保制冷剂的温度低于外部空气温度以促进外部热交换器56内的制冷剂的蒸发。膨胀装置82关闭并且阀63打开使得制冷剂离开外部热交换器56以流过管72旁通内部热交换器58。制冷剂随后循环通过管70并且回到压缩机54用于再循环。在加热模式中，可以关闭膨胀装置86以停用冷却器85，或者可以打开膨胀装置86以启用冷却器85。
图3说明处于冷却模式的热泵子系统48。在冷却模式中，取决于牵引电池20的工况，冷却剂子系统50可以是打开(ON)或关闭(OFF)的，并且电池冷却环路100可以是打开(ON)或关闭(OFF)的。压缩机54将制冷剂加压成循环通过停用的中间热交换器98至膨胀装置80的热蒸汽，该膨胀装置处于全开位置。外部热交换器56作为冷凝器运转并且热量从制冷剂转移至外部空气使得制冷剂冷凝成基本上为液体状态。阀63关闭并且离开外部热交换器56的制冷剂流动通过管68至第二膨胀装置82，该膨胀装置处于节流位置。进入内部热交换器58之前膨胀装置82降低制冷剂的压力和温度。内部热交换器58作为蒸发器运转并且汲取来自在壳体内循环的空气的热量以冷却车舱40。作为蒸汽的制冷剂离开内部热交换器58并且循环通过储液器60并且回到压缩机54。取决于牵引电池20的运转状态，膨胀装置86可以处于关闭或节流位置。如果膨胀装置86处于节流位置，那么电池冷却器85作为蒸发器运转并且将热量从电池冷却环路100转移至热泵子系统48。
热泵子系统48还可以包括加热器芯体90和内部热交换器58同时运转的至少一个除湿模式。在除湿模式期间启用冷却剂子系统50以提供加热的冷却剂至加热器芯体90。在除湿模式中，通风系统41内的空气首先被吹动经过蒸发器58使空气冷却和除湿，并且随后被吹动经过加热器芯体92以在循环进入乘客乘座区域之前再加热空气。热泵子系统48可以具有多个除湿模式，比如并联除湿模式和串联除湿模式。
图4说明处于并联除湿模式的热泵子系统48。在并联除湿模式中，压缩机54将制冷剂加压成循环至中间热交换器98的热蒸汽。来自制冷剂的热能转移进入循环通过热交换器98的冷却剂侧的制冷剂以加热冷却剂。泵92将加热的冷却剂循环至加热器芯体90以加热车舱40。中间热交换器98作为冷凝器运转并且使通过的制冷剂冷凝成液体。随后，一部分制冷剂通过处于节流位置的第一膨胀装置80至作为蒸发器运转的外部热交换器56。电磁阀62打开使一部分制冷剂旁通外部热交换器56并且直接流至膨胀装置82。止回阀108防止制冷剂流到管68的上游。膨胀装置82处于节流位置使制冷剂在进入蒸发器58之前减小温度和压力。制冷剂作为蒸汽离开蒸发器并且经由管70返回至压缩机54。旁通管72的阀63打开允许离开外部热交换器的制冷剂被引导至管70并且旁通内部热交换器58。
图5说明处于串联除湿模式的热泵子系统48。在串联除湿模式中，压缩机54将制冷剂加压成循环至中间热交换器98的热蒸汽。来自制冷剂的热能转移进入循环通过热交换器98的冷却剂侧的冷却剂以加热冷却剂。泵92将加热的冷却剂循环至加热器芯体90以加热车舱40。中间热交换器作为冷凝器运转并且使制冷剂冷凝成液体。随后，制冷剂通过处于节流位置的第一膨胀装置并且至作为蒸发器运转的外部热交换器56。在串联除湿模式中，阀62关闭引导所有制冷剂通过外部热交换器56。制冷剂以混合的液相/汽相离开外部热交换器56。阀63也关闭并且所有制冷剂被引导至第二膨胀阀82，该膨胀阀处于节流位置。随后，制冷剂循环通过对通过内部热交换器58的空气除湿的内部蒸发器58。离开蒸发器58的制冷剂经由管70被引导回压缩机54。
在两种除湿模式中，膨胀装置86关闭并且电池冷却器85停用。为在除湿模式期间了运行电池冷却器85，所有三个膨胀装置必须处于节流位置并且同时被电动控制。这需要对于量产而言可能不够稳健和可靠的复杂的控制逻辑。运转三个膨胀装置中的两个同时处于节流位置不太复杂并且是更加可靠的解决方案。电池冷却环路100包括在除湿模式期间充分冷却电池20的散热器104。
参考图6，说明用于运转热泵子系统48的流程图200。控制器78可以发送指令至热泵子系统48的多个部件并且从其接收指令以执行流程图的步骤。在步骤202处控制器确定热泵子系统48是否以除湿模式运转。如果系统没有处于除湿模式，那么在步骤204处允许冷却器85的运转并且根据牵引电池20的热管理协议打开和关闭膨胀装置86。如果系统处于除湿模式，那么控制前进至框206。在框206处膨胀装置86关闭以禁止电池冷却器85的运转。
虽然上文描述了示例实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限定，并且应理解不脱离本发明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。尽管已经描述了多个实施例就一个或多个期望特性来说提供了优点或相较于其他实施例或现有技术应用更为优选，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征或特性妥协。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易于装配等。因此，描述的实施例在一个或多个特性上相对于其他实施例或现有技术应用不令人满意也未超出本发明的范围，并且这些实施例可以满足特定应用。

Claims (9)

1.一种车辆，包含：
气候控制系统，所述气候控制系统包括具有车舱环路和电池环路的热泵子系统，所述车舱环路包括压缩机、外部热交换器、位于所述压缩机和所述外部热交换器之间的第一膨胀装置、内部热交换器以及位于所述外部热交换器和所述内部热交换器之间的第二膨胀装置，所述电池环路具有电池冷却器和选择性地流体连通地连接所述车舱环路和电池冷却器的第三膨胀装置；
牵引电池；
电池冷却剂环路，包括散热器和和管路，并被配置为使冷却剂循环通过所述散热器、所述电池冷却器和所述牵引电池；以及
控制器，所述控制器被配置为响应于所述热泵子系统处于除湿模式而指令所述第三膨胀装置关闭以禁止制冷剂流至所述电池冷却器。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述气候控制系统进一步包括在加热器芯体和中间热交换器之间循环冷却剂的冷却剂子系统，其中将所述中间热交换器设置为当所述热泵子系统处于加热模式或者处于除湿模式时将来自在热泵内循环的制冷剂的热量转移至所述冷却剂子系统内的所述冷却剂。
3.根据权利要求2所述的车辆，其中，所述冷却剂子系统和所述电池冷却剂环路彼此不混合。
4.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述内部热交换器设置在车辆的乘客舱内而所述外部热交换器设置在所述车辆的发动机舱内。
5.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述外部热交换器在所述除湿模式期间配置为蒸发器而在冷却模式期间配置为冷凝器。
6.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述热泵子系统是蒸汽压缩热泵子系统。
7.一种具有气候控制系统的车辆，所述车辆包含：
包括车舱环路和电池环路的热泵子系统，所述车舱环路具有内部热交换器、外部热交换器以及压缩机，所述电池环路具有电池冷却器和选择性地流体连通地连接所述车舱环路和所述电池冷却器的第三可驱动的膨胀装置，其中，所述车舱环路进一步包括所述压缩机和所述外部热交换器之间的第一可驱动的膨胀装置以及所述外部热交换器和所述内部热交换器之间的第二可驱动的膨胀装置；
牵引电池；
电池冷却剂环路，包括散热器和管路，并被配置为使冷却剂循环通过所述散热器、所述电池冷却器和所述牵引电池，其中，所述管路被布置为使得所述电池冷却剂环路仅经过所述电池冷却器连接到所述热泵子系统；以及
至少一个控制器，配置用于响应于所述热泵子系统处于除湿模式而指令所述第三可驱动的膨胀装置至关闭位置以禁止制冷剂流至所述电池冷却器。
8.根据权利要求7所述的车辆，其中，所述控制器进一步配置用于响应于所述热泵子系统处于所述除湿模式而指令所述第一可驱动的膨胀装置和第二可驱动的膨胀装置至打开位置。
9.一种具有气候控制系统的车辆，所述车辆包含：
具有车舱环路和电池环路的热泵子系统，所述车舱环路具有内部热交换器和外部热交换器以及压缩机，而所述电池环路具有电池冷却器和选择性地流体连通地连接所述车舱环路和电池冷却器的第三可驱动的膨胀装置，其中，所述电池环路还包括所述压缩机和所述外部热交换器之间的第一可驱动的膨胀装置以及所述外部热交换器和所述内部热交换器之间的第二可驱动的膨胀装置；
牵引电池；
电池冷却剂环路，包括散热器和管路，并被配置为使冷却剂循环通过所述散热器、所述电池冷却器和所述牵引电池，其中，所述管路被布置为使得所述电池冷却剂环路仅经由所述电池冷却器连接到所述热泵子系统；以及至少一个控制器，配置用于响应于所述热泵子系统处于除湿模式而指令所述所述第三可驱动的膨胀装置至关闭位置以禁止制冷剂流至电池冷却器，并响应于所述热泵子系统处于除湿模式而指令所述第一可驱动的膨胀装置和所述第二可驱动的膨胀装置至节流位置并定期调整所述节流位置。
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