CN109421470A - 用于加热电动车辆的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于加热电动车辆的系统和方法。示例性电动车辆包括乘客舱和配置为辐射热量以调节乘客舱的红外线加热器。该车辆进一步包括配置为加热气流以调节乘客舱的加热装置。此外，车辆包括控制器，该控制器配置为基于红外线加热器可用的电量选择性地命令加热装置的输出的变化。

Description

用于加热电动车辆的系统和方法
技术领域
本公开涉及用于加热电动车辆的系统和方法。示例性电动车辆包括由配置为辐射热量的红外线加热器和配置为加热气流的加热装置来调节的乘客舱。
背景技术
减少汽车燃料消耗和排放的需求是众所周知的。因此，车辆正在针对减少对内燃发动机的依赖而被开发。电动车辆是为此目的而开发的一种类型的车辆。通常，电动车辆因其选择性地由一个或多个电池供电的电机来驱动而与传统机动车辆不同。与之相比，传统机动车辆完全依靠内燃发动机来驱动车辆。
电动车辆通常存在特有的热管理挑战。例如，在电动车辆内实现所需的乘客舱舒适度水平必须与燃料经济性和电动车辆的范围最大化相平衡。
发明内容
根据本发明的一个示例性方面，一种电动车辆除了其它方面以外包括乘客舱、配置为辐射热量以调节乘客舱的红外线加热器、配置为加热气流以调节乘客舱的加热装置以及控制器。控制器配置为基于红外线加热器可用的电量选择性地命令加热装置的输出的变化。
在上述车辆的进一步非限制性实施例中，加热装置基于目标值来控制，并且控制器配置为基于红外线加热器可用的电量选择性地改变目标值。
在任一上述车辆的进一步非限制性实施例中，控制器配置为在有足够的电力可用于红外线加热器时选择性地减小目标值。
在任一上述车辆的进一步非限制性实施例中，控制器配置为在有足够的电力可用于红外线加热器时逐渐减小目标值。
在任一上述车辆的进一步非限制性实施例中，加热装置包括由冷却剂供给的加热器芯，并且目标值为加热器芯入口处的冷却剂的温度。
在任一上述车辆的进一步非限制性实施例中，加热装置包括空气加热器，并且目标值为空气加热器消耗的电量。
在任一上述车辆的进一步非限制性实施例中，加热装置包括空气加热器，并且目标值为排放空气温度。
在任一上述车辆的进一步非限制性实施例中，加热装置是冷却剂加热器，并且其中目标值为冷却剂温度。
在任一上述车辆的进一步非限制性实施例中，控制器配置为基于红外线加热器可用的电量、乘客舱的温度和乘客舱的占用率来选择性地改变加热装置的输出。
在任一上述车辆的进一步非限制性实施例中，红外线加热器是配置为辐射热量以调节乘客舱的多个红外线加热器中的一个。
在任一上述车辆的进一步非限制性实施例中，红外线加热器由DC/DC转换器供电。
根据本发明的一个示例性方面，一种方法除了其它方面以外包括通过利用红外线加热器辐射热量并通过利用加热装置加热气流来调节车辆的乘客舱，以及基于红外线加热器可用的电量来改变加热装置的输出。
在上述方法的进一步非限制性实施例中，方法包括基于目标值控制加热装置以及基于红外线加热器可用的电量来改变目标值。
在任一上述方法的进一步非限制性实施例中，方法进一步包括在有足够的电力可用于红外线加热器时减小目标值。
在任一上述方法的进一步非限制性实施例中，方法进一步包括在有足够的电力可用于红外线加热器时逐渐减小目标值。
在任一上述方法的进一步非限制性实施例中，加热装置包括由冷却剂供给的加热器芯，并且其中目标值为加热器芯入口处的冷却剂的温度。
在任一上述方法的进一步非限制性实施例中，加热装置包括空气加热器，并且其中目标值为空气加热器消耗的电量。
在任一上述方法的进一步非限制性实施例中，加热装置包括空气加热器，并且其中目标值为排放空气温度。
在任一上述方法的进一步非限制性实施例中，加热装置是冷却剂加热器，并且其中目标值为冷却剂温度。
在任一上述方法的进一步非限制性实施例中，该方法进一步包括基于红外线加热器可用的电量、乘客舱的温度和乘客舱的占用率来改变加热装置的输出。
附图说明
图1示意性地示出了电动车辆的动力传动系统；
图2示出了电动车辆的车辆系统；
图3示出了车辆的顶视图，并且示出了车辆内的多个红外线加热器；
图4示出了用于控制红外线加热器和配置为加热气流的加热装置的示例性控制策略，在图4中，加热装置是基于冷却剂入口目标温度控制的加热器芯；
图5示出了用于控制红外线加热器和配置为加热气流的加热装置的示例性控制策略，在图5中，加热装置是基于空气加热器消耗的电量控制的空气加热器；
图6示出了用于控制红外线加热器和配置为加热气流的加热装置的示例性控制策略，在图6中，加热装置是基于排放空气温度控制的空气加热器；
图7示出了用于控制红外线加热器和配置为加热气流的加热装置的示例性控制策略，在图7中，加热装置是基于冷却剂温度控制的冷却剂加热器。
具体实施方式
本公开涉及用于加热电动车辆的系统和方法。示例性电动车辆包括乘客舱和红外线加热器，该红外线加热器配置为辐射热量以调节乘客舱。车辆进一步包括加热装置，该加热装置配置为加热气流以调节乘客舱。进一步地，车辆包括控制器，该控制器配置为基于红外线加热器可用的电量选择性地命令加热装置的输出的变化。通过这种方式，车辆使用红外线加热器为车辆乘员提供局部加热，这增加了舒适性，同时还减少了加热装置上的负荷，转而提高了车辆效率，并且在例如BEV的情况下扩展了车辆范围。
参考附图，图1示意性地示出了用于电动车辆12的动力传动系统10。尽管被描述为混合动力电动车辆(HEV)，但应该理解的是，本文描述的构思不限于HEV，并且可以延伸至其它电动车辆，包括但不限于插电式混合动力电动车辆(PHEV)和电池电动车辆(BEV)。
在非限制性实施例中，动力传动系统10是采用第一驱动系统和第二驱动系统的动力分流动力传动系统。第一驱动系统包括发动机14和发电机18(即第一电机)的组合。第二驱动系统至少包括马达22(即，第二电机)，发电机18和电池组24。在该示例中，第二驱动系统被认为是动力传动系统10的电驱动系统。第一和二驱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。尽管图1中描绘了动力分流配置，但是本公开扩展至任何混合动力或电动车辆，包括完全混合动力电动车辆、并联混合动力电动车辆、串联混合动力电动车辆、轻度混合动力电动车辆，微混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆和电池电动车辆。
发动机14——在一实施例中为内燃发动机——和发电机18可以通过第一动力传输单元30——例如行星齿轮组——连接。当然，可以使用其它类型的动力传输单元——包括其它齿轮组和传动装置——将发动机14连接至发电机18。在非限制性实施例中，动力传输单元30是包括环形齿轮32、中心齿轮34和托架总成36在内的行星齿轮组。
发电机18可以由发动机14通过动力传输单元30驱动以将动能转换为电能。作为选择地，发电机18可以起到马达的作用，以将电能转化为动能，从而向与动力传输单元30相连接的轴38输出扭矩。因为发电机18可操作地连接至发动机14，所以发动机14的速度可由发电机18来控制。
动力传输单元30的环形齿轮32可以与轴40相连接，该轴40通过第二动力传输单元44与车辆驱动轮28相连接。第二动力传输单元44可以包含拥有多个齿轮46的齿轮组。在其它实例中，其它动力传输单元也可以适用。齿轮46将扭矩从发动机14传递给差速器48，以便最终为车辆驱动轮28提供牵引力。差速器48可以包括多个使扭矩能够传递到车辆驱动轮28的齿轮。在一实例中，第二动力传输单元44通过差速器48与车轴50机械连接，从而将扭矩分配至车辆驱动轮28。
马达22还可以用于通过向同样与第二动力传输单元44相连接的轴54输出扭矩来驱动车辆驱动轮28。在一实施例中，马达22和发电机18配合作为再生制动系统的一部分，在再生制动系统中马达22和发电机24二者均可以被当作马达来输出扭矩。在另一示例中，马达22和发电机18可以各自向电池组14输出电能。
电池组24是示例性电动车辆电池。电池组24可以是包括多个电池总成25(即，电池阵列或分组的电池单元)的高电压牵引电池组，该电池总成25能够输出电力以操作马达22、发电机18和/或电动车辆12的其它电气负载。其它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。
在非限制性实施例中，电动车辆12具有两种基本操作模式。电动车辆12可以在电动车辆(EV)模式下操作，在该模式下，马达22(通常没有来自发动机14的辅助)被用于车辆推进，从而在某些驾驶模式/周期下耗尽电池组24的荷电状态直至其最大允许放电率。EV模式是电动车辆12的电荷消耗操作模式的示例。在EV模式期间，电池组24的荷电状态可以在某些情况下增加，例如由于再生制动期间。发动机14在默认EV模式下通常是关闭的，但是可以根据需要依据车辆系统状态或在操作员允许的情况下操作。
此外，电动车辆12可以在混合动力(HEV)模式下操作，在该模式下，发动机14和马达22均被用于车辆推进。HEV模式是电动车辆12的电荷维持操作模式的示例。在HEV模式期间，电动车辆12可以减小马达22的推进使用，以便通过增加发动机14的推进力将电池组24的荷电状态保持在恒定或近似恒定的水平。除了本公开范围内的EV和HEV模式之外，电动车辆12还可以在其它操作模式下操作。
为了改善电动车辆12的燃料经济性和综合效率，可以减小发动机14的尺寸并且以更高的效率操作，从而有可能降低了车辆预热能力。因此，下面详细说明一种用于对由发动机14产生的这种降低的热量进行主动补偿的系统和方法。
图2是可以在电动车辆(例如图1的电动车辆12)内使用的车辆系统54的高度示意图。车辆系统54的各种部件被示意性地示出，以更好地说明本公开的特征。然而，这些部件不一定描绘为它们在实际车辆中所处的确切位置，并且不一定按比例示出。
车辆系统54适于将所需温度下的经调节的气流74-1输送到电动车辆12的乘客舱56。在非限制性实施例中，控制加热装置H以使输送到乘客舱56的经调节的气流74-1温度升高。在一个特定实施例中——例如在PHEV中，控制加热装置H以通过加热器芯70使传输到乘客舱56的经调节的气流74-1温度升高，这通过在热源14'和加热器芯70之间循环的发动机冷却剂C从热源14'——可以是发动机14——传递热量。在另一个实施例中——例如在BEV中，热源14'由冷却剂加热器提供，该冷却剂加热器可以是电动的。冷却剂加热器加热在冷却剂加热器和加热器芯70之间循环的冷却剂。虽然图2中示出了电动加热器58和加热器芯70二者，但应该理解的是，在一些示例中，加热装置H可以仅包括电动加热器58和加热器芯70中的一个。作为选择地，加热装置H可以包括电动加热器58和加热器芯70二者，二者可以同时用于使经调节的气流74-1的温度升高。
示例性车辆系统54可以包括暖通空调(HVAC)系统60、热源14'、加热装置H、DC/DC转换器62、电池组24和控制器64。HVAC系统60装配成调整乘客舱56内的温度。在非限制性实施例中，HVAC系统60包括HVAC壳体66和风机68，加热装置H和蒸发器72容纳于HVAC壳体66内。风机68可以被控制，以使气流74流过HVAC壳体66并进入乘客舱56。在非限制性实施例中，风机68为变速风机，用于迫使气流74通过HVAC壳体66、通过各种加热和冷却元件、然后进入乘客舱56。
在一个示例中，如果乘客舱56内需要加热(例如，通过驾驶员/操作者/乘客)，则由热源14'加热的冷却剂C流到加热器芯70以与通过风机68吹过加热器芯70的气流74进行热交换。例如，气流74可以从车辆外部进入HVAC壳体66。来自热源14'的相对温暖的冷却剂C将其热量散失到加热器芯70内的气流74，然后经调节的气流74-1流入乘客舱56，从而加热乘客舱56。
在另一示例中，由加热器芯70加热的气流74可以通过致动电动加热器58来额外加热。在又一示例中，不存在加热器芯70并且气流74由电动加热器58单独加热。作为示例，电动加热器58可以是正温度系数(PTC)加热器或电阻加热装置。进一步地，电动加热器58可以是低电压装置或高电压装置，并且可以被选择使得其最大调节温度在乘客舱56的最佳舒适水平温度范围内。尽管图2示出了单个电动加热器58，但应该理解的是，车辆系统54可以包括一个或多个电动加热器58。
电动加热器58可安装在HVAC壳体66内的各个位置处。例如，在非限制性实施例中，电动加热器58定位在加热器芯70和乘客舱56之间。在本公开的范围内也考虑其它安装位置。
在第一非限制性实施例中，例如当电动加热器58是高电压装置时，来自电池组24的第一DC输出75可用于为电动加热器58供电。在第二非限制性实施例中，例如当电动加热器58是低电压装置时，来自DC/DC转换器62的第二DC输出用于为电动加热器58供电。例如，来自电池组24的第一DC输出75可以由DC/DC转换器62接收。DC/DC转换器62可以配置为降压转换器，该降压转换器使来自电池组24的第一DC输出75从一个电压电平改变至另一个较低的电压电平。随后，来自DC/DC转换器62的第二DC输出76用于为电动加热器58供电。
控制器64可以编程有用于连接并操作车辆系统54的各种部件的可执行指令。控制器64包括用于连接车辆系统54的部件的各种输入和输出，包括但不限于HVAC系统60、热源14'、电池组24、DC/DC转换器62和电动加热器58。控制器64进一步包括用于执行车辆系统54的各种控制策略和模式的处理单元和非暂时性存储器。
在非限制性实施例中，控制器64控制HVAC系统60以将乘客舱56加热到所需舒适水平。在本公开中，乘客舱56包括多个红外线加热器80，该红外线加热器80配置为在乘客舱56内提供局部加热，转而可以减小HVAC系统60上的负载以实现相同水平的乘客舒适性。红外线加热器80可以是由DC/DC转换器62的输出供电的低电压装置，或者可以是由电池组24的输出供电的高电压装置。控制器64配置为选择性地激活一个或多个红外线加热器80，以在乘客舱56内的所需位置处提供辐射热。
红外线加热器80可以是配置为辐射热量的任何已知类型的红外线加热器。红外线加热器80用于直接向车辆的乘客提供局部加热，以便提高乘客的舒适度，并且进而减小加热装置H上的负载。
图3从示出了示例性电动车辆12的顶部透视图，并且具体示出了三个红外线加热器80。控制器64配置为选择性地激活每个红外线加热器80，包括选择性地打开和关闭红外线加热器80，以及改变红外线加热器80的输出水平。虽然图2和图3中示出了三个红外线加热器80，但应该理解的是，本公开扩展到具有一个或多个红外线加热器的车辆。进一步地，红外线加热器80不需要如图3所示放置在乘客舱56中，只要来自红外线加热器80的辐射热可以被引导至车辆的乘员即可。还应该理解的是，图3示出了红外线加热器80位于示例性位置，并且本公开扩展至红外线加热器80位于除所示位置之外的位置的车辆。
控制器64配置为基于一个或多个红外线加热器80可用的电量来选择性地改变加热装置H的输出。即，在车辆12的操作期间，例如来自DC/DC转换器可用的电量可以根据某些车辆状况而变化。如果红外线加热器80有足够的电力可用，则它们可以运行，并且加热装置H的目标控制值(例如电力)可以偏移，从而减小系统负载，提高效率。例如，在BEV的情况下，减小的系统负载最终通过例如由于系统负载减小而减小电动冷却剂加热器的功耗来扩大电动车辆12的范围。
如上所述，本公开考虑了许多不同的加热装置H。不同的加热装置H被控制，以基于不同的目标控制值(例如，“目标值”或“目标”)产生输出。例如，当加热装置H为加热器芯70时，目标控制值可以是加热器芯冷却剂入口温度。当加热装置H为电动加热器58时，目标控制值可以是电动加热器58消耗的电量。下面将参考图4-7描述这些和更多示例。
图4示意性地示出了根据本公开的方法，该方法体现在用于控制车辆系统54的控制策略100中。图4具体涉及车辆系统54，其中加热装置H为加热器芯，例如加热器芯70。控制策略100包括基于一个或多个红外线加热器80可用的电量来改变加热装置H的输出。控制器64可以用编程有一个或多个适于执行控制策略100或任何其它控制策略的算法。在非限制性实施例中，控制策略100作为可执行指令存储于控制器64的非暂时性存储器中。
控制策略100开始于框102。在框104，控制策略100经历一系列计算以确定可用于为红外线加热器80供电的电量。在该示例中，红外线加热器80可用的电量可以通过从可用DC/DC电力中减去使用的DC/DC电力来获得。
基于这些因素，在框106，控制策略100确定红外线加热器80可用的DC/DC电力是否足以操作红外线加热器80。电力是否足够可以基于已知操作所需的电力值的最小值。如果可用电力足以进行操作，则控制策略继续到框108。
在框108处，控制策略100确定HVAC系统60上的负载，包括输入110——例如所需乘客舱温度、气流74的进气温度、车辆占用率和风机68的流速。还可以通过参考存储在控制器64的存储器中的查找表来确定HVAC系统60的负载。
此时在控制策略100中，本公开基于车辆系统54中的加热装置H的类型以及如何控制加热装置(或多个装置)H而变化。具体地，加热装置H是基于目标值控制的特定加热装置，并且控制策略100选择性地改变该目标值以减小系统上的总负载。同样，在图4的示例中，控制策略112的加热装置特定部分涉及包括基于目标值控制的加热器芯70的车辆系统54，该目标值是在加热器芯70入口处的冷却剂C的温度。虽然在图5-7中示出了不同的加热装置特定部分112，但是每个控制策略配置为基于红外线加热器80可用的电量选择性地改变加热装置H的目标值，并且进而改变加热装置H的输出。具体地，控制策略100配置为当红外线加热器80有足够的电力可用时减小加热装置H的目标值。
在图4中，在框114A，控制策略100确定进入加热器芯70的冷却剂C的基础目标值。例如，基于框108中的确定来确定基础目标值。
在框116A，控制策略然后基于在框104获得的红外线加热器80的可用电力来确定到基础目标值的偏移。在该示例中，该偏移为加热器芯的入口处冷却剂C的温度的减小。通过减小加热器芯70所需的冷却剂入口温度，减小了HVAC系统60上的负载。可以根据在框108获得的HVAC系统60上的负载和在框104获得的红外线加热器可用电力来确定偏移。该偏移可以与红外线加热器80可用的电量成比例。例如，如果红外线加热器80可获得相对大量的电力，则偏移可能相对较大。
接下来，在框118，通过从基础值(在框114A处获得)减去偏移(在框116A处获得)来确定用于加热器芯冷却剂入口温度的修改的目标值。
在框120，基础目标值逐渐改变偏移量——有时称为差距至目标量(gap-to-target amount)，直到基础目标达到修改的目标值。随着时间逐渐改变基础目标值防止了不期望的车辆行为，例如发动机操作的快速变化或乘客舱56温度的快速变化。逐渐变化可以是基础目标值和修改的目标值之间的线性变化。作为选择地，逐渐变化可以是随时间推移的一系列相对较小的增量变化或一些其它过渡方法，其中可以通过诸如各种类型的信号滤波之类的非线性手段使过渡平稳进行。
在框122，设定红外线加热器80的电力，并且在框124，基于车辆占用率和在框122设定的电力来确定要操作的红外线加热器80的数量。在框126，电力被分配到IR加热器，并且根据在框122和124中做出的确定来运行红外线加热器80。
图5-7示出了应用于不同加热装置H时的控制策略100。在图5-7中，控制策略与关于图4所描述的基本相同，改变仅发生于热装置特定部分112。
图5示出了加热装置H为基于由空气加热器消耗的电量的目标值控制的空气加热器时的控制策略100。空气加热器可以由电动加热器提供，例如电动加热器58。在框114B，控制策略100基于框108中的决定来确定空气加热器要消耗的基本目标电量，然后在框116B确定到该电量的偏移。在框114B，可以基于将电力消耗与经调节的气流74-1的温度相关联的查找表或者通过直接计算经调节的气流的温度来确定基本目标电量。可以基于在框104获得的红外线加热器80可用的电量以及如所描述的影响气候负载的其它因素来确定来自框116B的偏移。
图6示出了加热装置H为基于排放空气温度的目标值控制的空气加热器时的控制策略100。与图5一样，空气加热器可以由电动加热器提供，例如电动加热器58。虽然图5涉及电力消耗的目标值，但是在图6中，基于感测或导出的经调节的气流74-1的温度来控制空气加热器。在图6中，在框114C，控制策略100基于框108中的决定来确定排放空气温度的基础目标值。在框116C，控制策略100然后基于框104的决定来确定到该目标值的偏移。
图7示出了加热装置H为冷却剂加热器时的控制策略100，该冷却剂加热器可以是基于冷却剂温度控制的电冷却剂加热器或其它类型的冷却剂加热器。在该示例中，控制策略100在框114D基于框108的决定来确定冷却剂C的温度的基础目标值。在框116D，控制策略100基于框104中的决定来确定到该目标值的偏移。
应当理解的是，诸如“约”、“基本上”和“通常”的术语并非旨在是无界限术语，并且应该被解释为符合与本领域技术人员对这些术语的解释这些术语。
尽管不同示例具有附图中所示的特定部件，但本公开的实施例并非仅限于那些特定的组合。使用一些来自其中一个示例的部件或特征与来自任何其它示例的部件或特征相结合是有可能的。
本领域技术人员应当理解的是，上述实施例是示例性的并且非限制性的，也就是说，可以在权利要求的保护范围内对本公开做出修改。因此，应当通过研究下面的权利要求书来确定它们的法律保护范围。

Claims (15)

1.一种电动车辆，包括：
乘客舱；
红外线加热器，所述红外线加热器配置为辐射热量以调节所述乘客舱；
加热装置，所述加热装置配置为加热气流以调节所述乘客舱；以及
控制器，所述控制器配置为基于所述红外线加热器可用的电量选择性地命令所述加热装置的输出的变化。
2.根据权利要求1所述的电动车辆，其中，所述加热装置基于目标值来控制，并且其中，所述控制器配置为基于所述红外线加热器可用的电量选择性地改变所述目标值。
3.根据权利要求2所述的电动车辆，其中，所述控制器配置为在有足够的电力可用于所述红外线加热器时选择性地减小所述目标值。
4.根据权利要求2或3所述的电动车辆，其中，所述控制器配置为在有足够的电力可用于所述红外线加热器时逐渐减小所述目标值。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的电动车辆，其中，所述加热装置包括由冷却剂供给的加热器芯，并且其中，所述目标值为所述加热器芯入口处的所述冷却剂的温度。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的电动车辆，其中，所述加热装置包括空气加热器，并且其中，所述目标值为所述空气加热器消耗的电量。
7.根据权利要求2至4中任一项所述的电动车辆，其中，所述加热装置包括空气加热器，并且其中，所述目标值为排放空气温度。
8.根据权利要求2至4中任一项所述的电动车辆，其中，所述加热装置是冷却剂加热器，并且其中，所述目标值为冷却剂温度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电动车辆，其中，所述控制器配置为基于所述红外线加热器可用的所述电量、所述乘客舱的温度和所述乘客舱的占用率来选择性地改变所述加热装置的所述输出。
10.一种方法，包括：
通过利用红外线加热器辐射热量并通过利用加热装置加热气流来调节车辆的乘客舱；以及
基于所述红外线加热器可用的电量来改变所述加热装置的输出。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
基于所述目标值控制所述加热装置；以及
基于所述红外线加热器可用的电量来改变所述目标值。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述加热装置包括由冷却剂供给的加热器芯，并且其中，所述目标值为所述加热器芯入口处的所述冷却剂的温度。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述加热装置包括空气加热器，并且其中，所述目标值为所述空气加热器消耗的电量。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述加热装置包括空气加热器，并且其中，所述目标值为排放空气温度。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述加热装置是冷却剂加热器，并且其中，所述目标值为冷却剂温度。
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