CN105914421B - 电池热管理系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明示例性方面的电池热管理系统除其它方面外包括电池总成和使冷却剂循环通过电池总成的冷却剂子系统。在电池总成的温度低于第一温度阈值的情况下通过来自发动机的冷却剂的第一部分加热电池总成，并且在该温度高于第二温度阈值的情况下通过来自冷却器的冷却剂的第二部分冷却电池总成。

Description

电池热管理系统
技术领域
本发明涉及电动车辆的电池热管理系统。该电池热管理系统配置用于在它的温度低于第一温度阈值的情况下加热电池总成且在它的温度高于第二温度阈值的情况下冷却电池总成。
背景技术
降低车辆燃料消耗和排放的需求是众所周知的。因此，正在开发减少或完全消除依赖内燃发动机的车辆。为这种目的而开发的一种类型的车辆是电动车辆。总体上，由于电动车辆通过一个或多个电池供电的电机选择性地驱动，因此电动车辆与传统机动车辆不同。相比之下，传统机动车辆仅依靠内燃发动机驱动车辆。
高压电池组典型地为电动车辆的电机供电。电池组可以包括一个或多个互连的电池单元的组。电池单元在特定的情况下产生热，例如充电和放电操作期间。电池热管理系统被用于管理由电池组的电池单元所产生的热。
发明内容
根据本发明示例性方面的电池热管理系统除其它方面外包括电池总成和使冷却剂循环通过电池总成的冷却剂子系统。电池总成在电池总成的温度低于第一温度阈值的情况下被来自发动机的冷却剂的第一部分加热且在温度高于第二温度阈值的情况下被来自冷却器的冷却剂的第二部分冷却。
在上述系统的进一步非限制性实施例中，冷却剂子系统包括发动机、散热器、三向阀、温度传感器、T型接头、泵以及包括冷却器的冷却器回路。
在任一上述系统的进一步非限制性实施例中，制冷剂子系统使制冷剂循环，制冷剂在冷却器内与冷却剂的第二部分进行热交换。
在任一上述系统的进一步非限制性实施例中，冷却剂子系统包括三向阀，三向阀控制冷却剂的第一部分和第二部分向电池总成的流动。
在任一上述系统的进一步非限制性实施例中，三向阀位于发动机和电池总成之间且位于冷却器和电池总成之间。
在任一上述系统的进一步非限制性实施例中，控制器配置用于控制冷却剂的第一部分和第二部分通过电池总成的流通。
在任一上述系统的进一步非限制性实施例中，控制器配置用于打开三向阀的第一入口以使冷却剂的第一部分传递到电池总成且配置用于打开三向阀的第二入口以使冷却剂的第二部分传递到电池总成。
在任一上述系统的进一步非限制性实施例中，冷却剂子系统包括配置用于冷却发动机的散热器。
在任一上述系统的进一步非限制性实施例中，T型接头使电池总成排出的冷却剂流在包括冷却器的冷却器回路和发动机之间分流。
在任一上述系统的进一步非限制性实施例中，发动机包括恒温器，恒温器控制发动机排出的冷却剂流。
根据本发明另一示例性方面的方法除其它方面外包括在电池总成的温度低于第一温度阈值的情况下使用来自发动机的冷却剂加热电池总成，并且在该温度高于第二温度阈值的情况下使用来自冷却器的冷却剂冷却电池总成。
在上述方法的进一步非限制性实施例中，该方法包括在来自冷却器的冷却剂和制冷剂之间执行热传递。
在任一上述方法的进一步非限制性实施例中，该方法包括在温度低于所述第一温度阈值的情况下打开三向阀的第一入口，以使来自发动机的冷却剂传递到电池总成。
在任一上述方法的进一步非限制性实施例中，该方法包括在温度高于第二温度阈值的情况下打开三向阀的第二入口，以使来自冷却器的冷却剂传递到电池总成。
在任一上述方法的进一步非限制性实施例中，该方法包括在加热和冷却步骤之前监测电池总成的温度。
在任一上述方法的进一步非限制性实施例中，该方法包括将来自发动机的冷却剂流在散热器和位于电池总成上游的三向阀之间分配。
可以单独地或任意组合地使用上述段落、权利要求或下列说明书和附图中的实施例、示例以及替代形式，包括它们任意的各方面或各自的独立特征。关于一个实施例所描述的特征可以应用于所有的实施例，除非这样的特征是不兼容的。
本发明的各种特征及有利之处从下列具体实施方式中对本领域的技术人员而言是显而易见的。伴随具体实施方式的附图可以简要描述如下。
附图说明
图1示意性地说明了电动车辆的动力传动系统；
图2说明了电动车辆的电池热管理系统；
图3示意性地说明了用于热管理电动车辆的电池总成的示例性控制策略。
具体实施方式
本发明描述了电动车辆的电池热管理系统。该电池热管理系统包括使冷却剂循环通过电池总成以加热或冷却电池总成的冷却剂子系统。冷却剂可以与制冷剂子系统的制冷剂进行热交换。在一些实施例中，电池总成在电池总成的温度低于第一温度阈值的情况下通过从发动机传递的冷却剂加热。在其他实施例中，电池总成在电池总成的温度高于第二温度阈值的情况下通过从冷却器传递的冷却剂冷却。在该具体实施方式的下述段落中将更具体地说明这些以及其他特征。
图1示意性地示出了电动车辆12的动力传动系统10。虽然以混合动力电动车辆(HEV)示出，但应理解的是，这里描述的构思不限于HEV并且可以扩展到其他电动车辆，包括但不限于插电式混合动力电动车辆(PHEV)。
在一个非限制性实施例中，动力传动系统10是使用了第一传动系统和第二传动系统的动力分配动力传动系统(power-split powertrain system)。第一传动系统包括发动机14和发电机18(即第一电机)的组合。第二传动系统至少包括马达22(即第二电机)以及电池总成24。在这个示例中，第二传动系统被认为是动力传动系统10的电力驱动系统。第一和第二传动系统产生扭矩以驱动电动车辆12的一组或多组车辆驱动轮28。虽然示为动力分配配置，但本发明可以扩展到任何混合动力或电动车辆，包括全混合动力、并联混合动力、串联混合动力、轻度混合动力或微混合动力。
在一个实施例中是内燃发动机的发动机14和发电机18可以通过例如行星齿轮组的动力传输单元30连接。当然，包括其他齿轮组和变速器的其他类型的动力传输单元可以用于将发动机14连接到发电机18。在一个非限制性实施例中，动力传输单元30是包括环形齿轮32、中心齿轮34和行星齿轮架总成36的行星齿轮组。
发电机18可以通过动力传输单元30而由发动机14驱动以使动能转化为电能。可选地，发电机18可以作为马达以使电能转化为动能，由此向连接到动力传输单元30的轴38输出扭矩。由于发电机18可操作地连接到发动机14，因此发动机14的转速可以由发电机18控制。
动力传输单元30的环形齿轮32可以连接到轴40，轴40通过第二动力传输单元44与车辆驱动轮28连接。第二动力传输单元44可以包括具有多个齿轮46的齿轮组。其他动力传输单元也可以是适宜的。齿轮46将扭矩从发动机14传输到差速器48从而最终为车辆驱动轮28提供牵引力。差速器48可以包括能够向车辆驱动轮28传输扭矩的多个齿轮。在一个实施例中，第二动力传输单元44通过差速器48与轮轴50机械地连接从而向车辆驱动轮28分配扭矩。
也可以采用马达22通过向轴52输出扭矩而驱动车辆驱动轮28，轴52也连接到第二动力传输单元44。在一个实施例中，马达22以及发电机18配合作为再生制动系统的一部分，在该系统中，马达22和发电机18两者都可以作为马达输出扭矩。例如，马达22和发电机18可以各自向电池总成24输出电力。
电池总成24是电动车辆电池的示例类型。电池总成24可以包括高压牵引电池组，高压牵引电池组包括能够输出电力以使马达22和发电机18运行的多个电池单元。其他类型的能量存储装置和/或输出装置也可用于为电动车辆12供电。
在一个非限制性实施例中，电动车辆12具有两种基本的操作模式。电动车辆12可以在使用马达22(通常没有来自发动机14的辅助)用于车辆推进的电动车辆(EV)模式操作，由此消耗电池总成24的荷电状态至其在特定行驶模式/周期的最大可容许放电率。EV模式是电动车辆12操作的电荷消耗模式的示例。在EV模式期间，电池总成24的荷电状态在一些情况下可以增加，例如由于一段时间的再生制动。发动机14在默认EV模式通常是关闭的，但可以必要时基于车辆系统状态或如操作者容许进行操作。
电动车辆12可以另外以混合动力(HEV)模式操作，在HEV模式中发动机14和马达22二者都用于车辆推进。HEV模式是电动车辆12操作的电荷保持模式的示例。在HEV模式期间，为了将电池总成24的荷电状态保持为恒定或近似恒定的水平，电动车辆12可以通过增加发动机14的推进使用而降低马达22的推进使用。在本发明范围之内，电动车辆12可以以除EV模式和HEV模式以外的其他操作模式操作。
图2示意性地说明了可以并入如图1所示的电动车辆12的电动车辆的电池热管理系统54。电池热管理系统54可以用于管理由如发动机14和电池总成24的各种车辆部件所产生的热负荷。在一个实施例中，电池热管理系统54使冷却剂选择性地传递至电池总成24以根据它的温度和/或其他状况加热或冷却电池总成24。虽然未示出，但电池总成24可以包括多个电池单元，电池单元向车辆的部件提供电能。电池总成24可以包括一组或多组电池单元，其有时也被称作“电池阵列”。
电池热管理系统54可以包括冷却剂子系统56和制冷剂子系统58。冷却剂子系统56以虚线示出且制冷剂子系统58以实线示出。这些系统在下面具体描述。
冷却剂子系统56或冷却剂回路可以循环如乙二醇或任何其他冷却剂的冷却剂C以对电池总成24进行热管理。在一个实施例中，冷却剂子系统56包括发动机14、散热器60、三向阀62、温度传感器64、T型接头66和泵68。冷却剂子系统56可以另外包括冷却器回路70，冷却器回路70包括冷却器72和泵74。虽然未示出，但冷却剂子系统56的各种部件可以通过管路或通道流体地互连，如管、软管、管道、加热器芯体、机油冷却器、PCT(正温度系数)加热器、发动机油冷却器、排气热回收系统等。
在冷却剂子系统56的操作中，泵68——可以是可操作地连接到发动机14的发动机泵——使冷却剂C传递到发动机14。冷却剂C在发动机14内摄取热。冷却剂C的部分C1可以传递到散热器60。风扇76使气流F移动通过散热器60以使其经历与冷却剂C的部分C1的热传递。例如，来自冷却剂C的部分C1的热被释放到气流F中，从而冷却冷却剂C的部分C1。被冷却的冷却剂C之后可以传递回到发动机14以冷却发动机14。
其中，冷却剂C的另一部分C2可以在恒温器78处从发动机14排出进入管路75。在一个实施例中，恒温器78是配置用于调节冷却剂C流的双级连续调节阀。在特定的操作条件下，恒温器78可以阻止冷却剂C的部分C1和C2的传递。
冷却剂C的部分C2可以在管路75内传递到三向阀62的入口80。三向阀62位于电池总成24的上游以控制通过电池总成24的冷却剂C的部分C2的流。在特定状况期间，可以驱动(例如打开)三向阀62的入口80以传递冷却剂C的部分C2，从而加热电池总成24。在一个非限制性实施例中，冷却剂C的部分C2可以传递穿过电池总成24的通道77。通道77可以采用任何尺寸、形状或配置且不限于图2的示意性描述。
可选地，冷却器回路70可以用于传输冷却剂C的另一部分C3以冷却电池总成24。冷却剂C在冷却器72内冷却以提供部分C3。冷却剂C的部分C3之后可以传递到三向阀62的入口82，入口82与入口80分开。可以选择性地打开入口82并且选择性地关闭入口80以将冷却剂C的部分C3传输到电池总成24用于冷却。泵74可以位于冷却器72和三向阀62之间以根据需要使冷却剂C的部分C3循环。
温度传感器64位于电池总成24和T型接头66之间。可选地，温度传感器64可以位于电池总成24的上游或内部。温度传感器64可以用于检测从电池总成24排出的冷却剂C的温度。
T型接头66可以位于电池总成24的下游。T型接头66适于将从电池总成排出的冷却剂C在冷却器回路70和管路84之间分流。进入冷却器回路70的冷却剂C传递到冷却器72以与制冷剂子系统58的制冷剂R进行热交换，从而产生冷却剂C的被冷却的部分C3。换言之，冷却器72促进冷却器回路70和制冷剂子系统58之间的热能传输。当冷却器回路70不运行时，进入管路84的冷却剂C返回到发动机14，从而完成闭路冷却剂子系统56。
制冷剂子系统58或制冷剂回路可以使制冷剂R循环以将热能传递到乘客舱86或从乘客舱86传递热能和/或将热能传递到冷却器回路70或从其传递热能。例如，制冷剂子系统58可以是配置用于向乘客舱86传递调节后的气流的主车辆冷却系统的一部分。制冷剂子系统58也可以配置为通过冷却器72与冷却器回路70进行热交换，如下面进一步说明的。虽然未示出，但制冷剂子系统58的各种部件可以通过例如管、软管、和/或管道等的管路或通道流体地互连。
在一个非限制性实施例中，制冷剂子系统58包括压缩机88、冷凝器90和蒸发器92。冷却器回路70的冷却器72也与制冷剂子系统58流体地连通。
在制冷剂子系统58操作期间，压缩机88使制冷剂增压且循环通过制冷剂子系统58。压缩机88可以由电力或非电力的动力源驱动。例如，压缩机88可操作地连接到发动机14或通过电力驱动的马达驱动。压缩机88将高压制冷剂R引导到冷凝器90。
接下来高压制冷剂R可以在冷凝器90中与来自风扇76的气流F进行热交换。冷凝器90通过使制冷剂R从蒸汽冷凝为液态而将热传递到周围环境。
冷凝器90排出的液态制冷剂R可以传递到接收干燥器。随着它流动穿过接收干燥器94，接收干燥器94将制冷剂R中夹带的空气和气体分开。
接下来制冷剂R传递到T型接头96。在一个实施例中，T型接头96将制冷剂R流在位置R1、R2之间分流。制冷剂R的部分R1传递到配置用于控制进入蒸发器92的制冷剂R的部分R1流的打开/关闭开关98。打开/关闭开关98可以由外部控制或不由外部控制。
在蒸发器92内，在周围环境和制冷剂R的部分R1之间传递热，由此使制冷剂R的部分R1蒸发。风扇99可以使气流F传递穿过蒸发器92以完成这样的热传递且根据驾驶操作者的要求将调节后的气流传递到乘客舱86。
制冷剂R的第二部分R2可以从T型接头96传递到管路101的另一打开/关闭开关100。打开/关闭开关100位于T型接头96和冷却器回路70的冷却器72之间且配置为类似于打开/关闭开关98地控制制冷剂R的部分R2的流。
冷却器回路70的冷却器72与制冷剂子系统58流体地连通。以这种方式，冷却器72既是冷却器回路70的一部分又是制冷剂子系统58的一部分。制冷剂R的部分R2可以与冷却器回路70的冷却剂C在冷却器72中进行热交换以提供冷却剂C被冷却的部分C3，部分C3可用于冷却电池总成24。冷却器72排出的制冷剂R被传输到另外的T型接头102。冷却器72排出的制冷剂R与蒸发器92排出的制冷剂R在T型接头102内结合。结合后的制冷剂R返回到压缩机88且之后回到作为闭路系统一部分的冷凝器90。
电池热管理系统54可以另外包括控制器104。控制器104配置为通过冷却器回路70控制冷却剂子系统56和制冷剂子系统58的操作以加热或冷却电池总成24。控制器104可以是例如车辆系统控制器(VSC)的整个车辆控制单元的一部分或可以可选地是与VSC分开的独立运行的控制单元。在一个实施例中，控制器104可以包括与电池热管理系统54的各个部件交互并操作它们的可执行指令。控制器104可以包括与电池热管理系统54的各个部件交互的输入和输出。控制器104可以另外包括用于执行电池热管理系统54的各种控制策略和模式的处理单元和非暂时性存储器。
在一个实施例中，控制器104适于监测电池总成24的温度。控制器104可以从监测电池总成24温度的各种传感器接收反馈，传感器包括但不限于环境传感器和电池单元传感器。控制器104基于来自该传感器的反馈控制三向阀62的入口80、82的打开或关闭以传递用于加热电池总成24的冷却剂C的部分C2或用于冷却电池总成24的冷却剂C的部分C3。
继续参照图1和图2，图3示意性地说明了热管理电动车辆12的电池总成24的控制策略200。例如，控制策略200可以在特定的状况期间执行以根据电池总成24的温度、环境状况、电池总成24附近的任何热源以及其他因素来加热或冷却电池总成24。当然，电动车辆12能够实施和执行在本发明范围内的其他控制策略。在一个实施例中，电池热管理系统54的控制器104编程有适于执行控制策略200或任何其他控制策略的一种或多种算法。换言之，控制策略200可以作为可执行指令存储在控制器104的非暂时性存储器中。在另一实施例中，控制策略200存储在车辆系统控制器(VSC)中，VSC可以与控制器104通信以执行电池热管理系统54的操作。
如图3所示，控制策略200开始于框202。在框204中，监测电池总成24的温度。接下来，在框206中，控制策略200确定电池总成24的温度是否低于第一温度阈值。第一温度阈值可以设置为任何温度且表示在该温度以下必须加热电池总成24以确保适当操作的温度。如果电池总成24的温度低于第一温度阈值，那么控制策略200进入到命令电池总成24加热的框208。在一个非限制性实施例中，通过打开三向阀62的入口80以引导冷却剂C的部分C2穿过电池总成24的通道77来加热电池总成24。冷却剂C的部分C2从发动机14传递且因此包括足够使电池总成24变暖的温度。
可选地，如果在框206中电池总成24的温度不低于第一温度阈值，那么在框210中控制策略200确定电池总成24的温度是否高于第二温度阈值。第二温度阈值是与第一温度阈值不同的阈值，其可以设置为任何温度且表示高于该温度则电池总成24必须被冷却以确保适当操作的温度。
如果电池总成24的温度超出第二温度阈值，那么控制策略200在框212中命令电池总成24冷却。在一个非限制性实施例中，电池总成24通过打开三向阀62的入口82以引导冷却剂C的部分C3穿过电池总成24的通道77来冷却电池总成24。冷却剂C的部分C3从冷却器回路70的冷却器72传递且因此包括足以使电池总成24冷却的温度。
如果在框210中确定电池总成24的温度不高于第二温度阈值，那么控制策略200返回到框204且继续监测电池总成24的温度。
虽然不同的非限制性实施例描述为具有特性的部件或步骤，但本发明的实施例并不限于那些特定的组合。可以使用任何非限制性实施例的一些部件或组件与任何其他非限制性实施例的组件或部件组合。
应理解的是，在所有几幅图中相同的附图标记标识对应的或类似的元件。应该理解的是，虽然公开了特定部件的设置并且以这些示例性实施例说明，但其他设置也可以受益于本发明的教导。
上述说明书应该解释为说明性的并且没有任何限制的意思。本领域普通技术人员可以理解，在本发明的范围之内可以出现一些变化。出于这些原因，应该研究下述权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (10)

1.一种电池热管理系统，包含：
电池总成；
冷却剂子系统，所述冷却剂子系统使冷却剂循环通过所述电池总成，其中所述冷却剂子系统包括：
发动机；
散热器，所述散热器配置为用所述冷却剂冷却所述发动机；
三向阀，所述三向阀位于所述电池总成的入口的上游；
温度传感器，所述温度传感器位于所述电池总成的出口的下游；
T型接头，所述T型接头位于所述电池总成的所述出口与所述发动机的入口之间；以及
控制器，所述控制器基于所述温度传感器的反馈控制所述三向阀以传递所需温度的冷却剂至所述电池总成；
其中所述控制器配置用于打开所述三向阀的第一入口以使所述冷却剂的第一部分传递到所述电池总成并且配置用于打开所述三向阀的第二入口以使所述冷却剂的第二部分传递到所述电池总成，
其中所述冷却剂的所述第一部分包括与所述冷却剂的所述第二部分不同的温度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述冷却剂子系统包括泵以及包括冷却器的冷却器回路。
3.根据权利要求1所述的系统，包含制冷剂子系统，所述制冷剂子系统使制冷剂循环，所述制冷剂在冷却器内与所述冷却剂的所述第二部分进行热交换。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述三向阀控制所述冷却剂的所述第一部分和所述第二部分向所述电池总成的流动。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述三向阀位于所述发动机和所述电池总成之间且位于所述冷却器和所述电池总成之间。
6.根据权利要求1所述的系统，所述控制器配置用于控制所述冷却剂的所述第一部分和所述第二部分通过所述电池总成的流通。
7.根据权利要求2所述的系统，其中所述泵位于所述冷却器与所述三向阀之间。
8.根据权利要求3所述的系统，其中所述制冷剂子系统包括压缩机、冷凝器、蒸发器和接收干燥器，所述散热器邻近所述冷凝器设置。
9.根据权利要求1所述的系统，所述T型接头使所述电池总成排出的冷却剂流在包括冷却器的冷却器回路和所述发动机之间分流。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述发动机包括恒温器，所述恒温器控制所述发动机排出的冷却剂流。
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