CN110365164A - 带冷却系统的电动马达及相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种电动马达用的示例冷却系统，包括电动马达，该电动马达具有用于接收冷却剂的供应开口和用于排出冷却剂的排出开口。排出开口通过冷却剂回路连接到供应开口，冷却剂回路包括设置有热交换器的第一回收管、旁通管、和第二回收管。排出开口通过第一回收管和旁通管而连接到供应开口，并且旁通管绕过设置在第一回收管中的热交换器。电池设置在第二回收管中，并且第二回收管选择性地连接到短路管，短路管使得冷却剂从电池下游位置流动并返回到电池上游的第二回收管。此外，蓄热器设置在短路管中。

Description

带冷却系统的电动马达及相关方法
技术领域
本发明涉及一种带冷却系统的电动马达和使用该电动马达的相关方法。
背景技术
电动车辆因其使用由牵引电池供电的一个或多个电机来选择性地驱动而不同于传统机动车辆。电机可以替代内燃发动机或与内燃发动机一起驱动电动车辆。示例电动车辆包括混合动力电动车辆(hybrid electric vehicle，HEV)、插电式混合动力电动车辆(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)、燃料电池车辆(fuel cell vehicle，FCV)、和电池电动车辆(battery electric vehicle，BEV)。牵引电池是电压相对较高的电池，其选择性地对电机和电动车辆的其它潜在电负载供电。牵引电池可以包括电池阵列，每个电池阵列包括存储能量的多个互连的电池单元。
发明内容
根据本公开的示例性方面的电动马达冷却系统包括具有热交换部件的电动马达等，该热交换部件具有用于接收冷却剂的供应开口和用于排出冷却剂的排出开口。排出开口通过冷却剂回路连接到供应开口，并且冷却剂回路包括设置有热交换器的第一回收管、旁通管、和第二回收管。排出开口通过第一回收管和旁通管而连接到供应开口，并且旁通管绕过设置在第一回收管中的热交换器。电池设置在第二回收管中，并且第二回收管选择性地连接到短路管，该短路管使得冷却剂从电池下游位置流动并返回到电池上游的第二回收管。此外，蓄热器设置在短路管中。
在前述冷却系统的进一步的非限制性实施例中，流量调节器设置在电池下游位置，并且构造成选择性地将第二回收管流体连接到短路管。
在任何前述冷却系统的进一步的非限制性实施例中，泵设置在短路管中。
在任何前述冷却系统的进一步的非限制性实施例中，使用冷却剂运转的车辆内部加热系统设置在电池上游的第二回收管中。
在任何前述冷却系统的进一步的非限制性实施例中，防回流阀设置在使用冷却剂运转的车辆内部加热系统的下游和电池的上游。
在任何前述冷却系统的进一步的非限制性实施例中，第二回收管返回到旁通管。
在任何前述冷却系统的进一步的非限制性实施例中，蓄热器是可电加热的。
在任何前述冷却系统的进一步的非限制性实施例中，蓄热器配置为存储加热的冷却剂并且绝热。
在任何前述冷却系统的进一步的非限制性实施例中，排出开口通过加热管选择性地连接到蓄热器。
在任何前述冷却系统的进一步的非限制性实施例中，旁通管在节点处从主返回管分支，并且在节点处设置恒温阀。
在任何前述冷却系统的进一步的非限制性实施例中，电动马达用于驱动机动车辆。
在任何前述冷却系统的进一步的非限制性实施例中，电池是牵引电池。
在任何前述冷却系统的进一步的非限制性实施例中，其中热交换部件是相对于电动马达设置的热护套。此外，供应开口配置为允许流体进入热护套，并且排出开口配置成引导流体流出热护套。
根据本公开的示例性方面的方法包括利用来自电动马达的废热对蓄热器充能，和使蓄热器放能以加热电池等。
在前述方法的进一步的非限制性实施例中，充能步骤包括通过加热管将冷却剂从电动马达引导到蓄热器。
在任何前述方法的进一步的非限制性实施例中，放能步骤包括将冷却剂从蓄热器通过短路管引导到电池。蓄热器设置在短路管中。
在任何前述方法的进一步的非限制性实施例中，加热管连接到蓄热器上游的短路管。
在任何前述方法的进一步的非限制性实施例中，放能步骤包括运行设置在短路管中的泵。
在任何前述方法的进一步的非限制性实施例中，短路管设置在电池下游的第一位置和电池上游的第二位置之间。
在任何前述方法的进一步的非限制性实施例中，流量调节器设置在第一位置并且配置为选择性地将旁通管连接到短路管。电池设置在旁通管中，并且旁通管最终连接到电动马达。
附图说明
图1示意性地示出了处于第一运转模式的示例电动马达和冷却系统。
图2示意性地示出了处于第二运转模式的电动马达和冷却系统。
图3示意性地示出了处于第三运转模式的电动马达和冷却系统。
具体实施方式
本发明涉及一种带冷却系统的电动马达和使用该电动马达的相关方法。根据本公开的示例性方面的电动马达冷却系统包括具有热交换部件的电动马达等，该热交换部件具有用于接收冷却剂的供应开口和用于排出冷却剂的排出开口。排出开口通过冷却剂回路连接到供应开口，并且冷却剂回路包括设置有热交换器的第一回收管、旁通管、和第二回收管。排出开口通过第一回收管和旁通管而连接到供应开口，并且旁通管绕过设置在第一回收管中的热交换器。电池设置在第二回收管中，并且第二回收管选择性地连接到短路管，该短路管使得冷却剂从电池下游位置流动并返回到电池上游的第二回收管。此外，蓄热器设置在短路管中。本公开还涉及使用方法。除其它益处(将从以下描述中理解)之外，本公开内容有效地管理电动马达和电池的温度并且允许其在低温下运转。
本公开涉及一种具有液体冷却系统的电动马达，其中电动马达配备有热交换部件，例如热护套(即冷却套)。冷却套在入口侧具有用于供应冷却剂的供应开口，并且在出口侧具有用于排出冷却剂的排出开口。排出开口至少可连接到供应开口以形成冷却剂回路。此外，排出开口可通过设置有热交换器的第一回收管而连接到供应开口，并且排出开口也可通过绕过设置在第一回收管中的热交换器的旁通管而连接到供应开口。本公开还涉及公开这种电动马达和相关冷却系统的使用方法。
上述类型的电动马达用作例如机动车辆驱动器。如果电动马达用作机动车辆驱动器，则驱动器除了电动马达之外还可以包括其它扭矩源(例如提供额外的动力并且可以与电动马达驱动连接的内燃发动机或电动车辆)以驱动机动车辆。电动马达通常配备有液体冷却系统。此外，如果将液体冷却系统用于冷却目的，则可以更容易地将废热供应给其它用途。液体冷却系统的宗旨和目的不是从电动马达中尽可能多地提取热量并排出到环境中。相反，目标是实现基于需求的冷却，其中应该有利地进一步利用废热。
由于可用的电池功率随着温度下降而迅速降低，因此在使用电动马达驱动器或具有电池驱动器的机动车辆中，在恶劣环境条件下(特别是在低于冰点的温度下)的冷启动提出了技术挑战。低于临界温度极限时，车辆通常不能再电操作。这是因为必须从外部供应能量以加热电池，使得可以确保电池功能并且能够启动或操作电动马达。在这种情况下，不利的是电动马达只能在电池已经加热后延时启动。
本公开的目的是提供一种电动马达，其中还在寒冷的环境条件下(特别是在低于冰点的温度下)确保电池的功能。
本公开的另一目的涉及使用方法，其中电动马达配备有热交换部件，例如至少一个冷却套。该冷却套在入口侧具有用于供应冷却剂的供应开口、并且在出口侧具有用于排出冷却剂的排出开口，并且排出开口至少可连接到(即能够流体连接到)供应开口以形成冷却剂回路。排出开口至少可通过设置有热交换器的第一回收管而连接到供应开口，并且排出开口至少可通过旁通设置在第一回收管中的热交换器的旁通管而连接到供应开口。此外，排出开口至少可通过设置有使用了冷却剂的电池的第二回收管连接到供应开口，并且，为了形成次级回路而提供短路管，电池下游的第二回收管通过短路管至少可连接到电池上游的第二回收管，并且短路管中设置有蓄热器。
电动马达和/或其液体冷却系统具有蓄热器，蓄热器设计为用于存储加热的冷却剂并且与电池一起形成液体冷却系统的次级回路。
根据本公开，冷却剂可以通过短路管在次级回路中循环，其中来自蓄热器的加热的冷却剂用于加热电池。加热的冷却剂可以是在电动马达运转期间加热的冷却剂。因此，可以使用在电动马达运转期间积聚的废热，并且通过废热加热的冷却剂暂时存储在蓄热器中供以后使用(即加热电池)。
电池的加热可以在发生例如驱动器冷启动之前。例如，可以在启动电动马达之前作为预备措施而执行。
如果电池是高性能电池，例如经常进行液体冷却的锂离子电池，则这种电池由于可以集成(即结合)到电动马达的液体冷却系统的冷却剂回路中而有利地产生协同效应。
根据本公开的电动马达的电池也是液体冷却系统的部件。尤其是结合到液体冷却系统的冷却剂回路中(即第二回收管中)。
电动马达的废热也可以供给其它用途。可以使用废热(而不必用电)例如加热内部。否则，电能必须从电池本身获取，由此电动马达的运转范围将大大减小。在这种情况下，可以使用储存在蓄热器中的温暖的冷却剂加热内部。为了在冷启动后快速加热乘客舱，这将在舒适性方面构成明显的优势。
本公开所基于的另一目的通过根据本公开的电动马达实现，即提供一种在寒冷的环境条件下(特别是在低于冰点的温度下)也确保电池的功能的电动马达。
在本公开的范围内声明冷却回路的开口、线路、或其它部件“至少是可连接的”应解释为存在永久连接或者可以(例如通过致动流量调节器或阀而)实现连接。下面参考了冷却剂回路在特定时刻的连接。术语“流体连接”在本公开中也用于指流动的连接。术语“选择性地流体连接”或“选择性连接”意味着可以通过例如致动阀而形成流动的连接。
下面更详细地描述了电动马达的其它有利实施例。在这种情况下，本领域技术人员特别是将清楚冷却剂流如何建立和传输、以及打开和阻塞回路的哪些线路、以及由此有利地产生哪些效果和冲击。
短路管从电池下游的第二回收管分支出来形成第一节点的电动马达的实施例是有利的。然后，可以从紧邻电池下游的第二回收管取出来自电池的冷却剂并将其供给到短路管。在这方面，第一流量调节器设置在第一节点处的电动马达的实施例是有利的。
具有三个连接端和两个切换位置的3/2向阀可以用作第一流量调节器。在第一切换位置，将阻挡短路管并打开第二回收管；并且在第二切换位置，将阻挡第二回收管并打开短路管。
短路管通向电池上游的第二回收管形成第二节点的电动马达的实施例是有利的。另一个热交换器，例如使用冷却剂运转的车辆内部加热系统，有利地不位于第二节点和电池之间，这意味着电池可直接使用事先未用过的来自蓄热器的热量。
短路管中设置有泵的电动马达的实施例是有利的。泵确保冷却剂在次级回路中循环，并且可以将热量引入电池。虽然主回路中的冷却剂流可以通过机械驱动的水泵输送，但是如果驱动器除了电动马达之外还包括用作驱动目的的其它扭矩源(例如内燃发动机)，则在次级回路中设置电动泵。尽管次级回路中的这种额外的泵增加了液体冷却系统的成本和空间要求，但是将在启动电动马达之前加热电池的益处作为预备措施是必要的。然而，主回路中的泵同样可以是电动泵。
在电池上游的第二回收管中设置使用冷却剂运转的车辆内部加热系统的电动马达的实施例是有利的。为了舒适起见，特别是在冷启动之后，对使用冷却剂运转的车辆内部加热系统提供加热的冷却剂(例如由电动马达加热的冷却剂)可以是有利的或所期望的。在某些情况下，有必要提供额外的冷却剂管线，该冷却剂管线从蓄热器分支并通向使用冷却剂运转的车辆内部加热系统上游的第二回收管形成节点。
如果使用冷却剂运转的车辆内部加热系统设置在电池的上游，则在电池和使用冷却剂运转的车辆内部加热系统之间设置止回阀(即防回流阀)的电动马达的实施例是有利的。然后，在次级回路中循环的冷却剂不能通过第二回收管进入车辆内部加热系统或从车辆内部加热系统回流。
将用于把冷却剂输送到供应开口的泵设置在供应开口的上游的电动马达的实施例是有利的。泵确保冷却剂在冷却剂回路中循环，并且热量可以传递到各个热交换器或电动马达或电池的至少一个冷却套中。可以变化地控制泵使得可以通过输送压力来影响冷却剂流速率的电动马达的实施例是有利的。
在从排出开口排出后，通过电动马达传输的冷却剂可以可选地通过回收管或通过旁通管回到入口侧，其中如有需要可以在设置在回收管内的热交换器中从冷却剂提取热量。可以通过设置在排出开口下游的恒温阀来控制该冷却剂流。
因此，旁通管从第一回收管分支形成节点，其中恒温阀设置在节点处的电动马达的实施例也是有利的。虽然恒温阀具有特定的开启温度并且是自调节阀，但是在当前情况下优选可主动调节、可切换、或连续可变地可调节的流量调节器。
蓄热器可电加热的电动马达的实施例是有利的。然后可以通过外部加热装置主动加热冷却剂。然而，加热装置是额外的消耗者，由此降低了电动马达或驱动器的效率。其它发明构思提供了在隔热的蓄热器中存储于运转期间加热的冷却剂、并在重新启动的情况下使用冷却剂，其中在运转期间加热的冷却剂可以在有限的时间内保持高温。因此，蓄热器配备有隔热材料的电动马达的实施例也是有利的。如已经多次提到的，蓄热器设计为用于存储加热的冷却剂的电动马达的实施例是有利的。
排出开口至少可通过加热管而连接到蓄热器的电动马达的实施例是有利的。在从排出开口排出后，通过电动马达传输的冷却剂可以通过加热管回到蓄热器，由此在电动马达运转期间用加热的冷却剂在一定程度上对蓄热器充能。可以使用额外的流量调节器(可选地，和一个额外的恒温阀或已提供的恒温阀)在排出开口的下游来控制该冷却剂流。
在冷却剂回路中提供额外的热交换器的电动马达的实施例是有利的。额外的热交换器可以是使用冷却剂运转的废气返回系统的冷却装置，冷却剂例如通过该冷却装置额外地加热并且因此该冷却装置可以用作额外的热源。
本公开所基于的另一目的，即公开上述类型的电动马达的用途，通过将电动马达用作机动车辆的驱动器来实现。有利的用途涉及使用混合驱动器作为机动车辆驱动器，混合驱动器除了电动马达外还包括至少一个其它扭矩源以例如驱动机动车辆。
现在具体转到附图，图1示意性地示出了示例电动马达1，其中冷却系统处于第一运转模式。电动马达1代表配置为电动车辆用的已知类型的电机。在该示例中，冷却系统特别是指液体冷却系统。
在本公开中，电动马达1配备有冷却套或其它类型的热交换部件，并且冷却套在入口侧具有用于供应冷却剂的供应开口4、并且在出口侧具有用于排出冷却剂的排出开口5。通常，冷却套围绕电动马达1设置并且允许冷却剂在马达附近流动，以从电动马达1吸收热量。
为了形成冷却剂回路，排出开口5一方面通过设置有热交换器6a的第一回收管6、且另一方面通过旁通热交换器6a的旁通管7，而可连接到供应开口4。旁通管7从第一回收管6分支形成节点。恒温阀2设置在节点处，该恒温阀2根据该特定时刻的冷却剂温度而为冷却剂打开第一回收管6或旁通管7。
用于输送冷却剂的泵3设置在供应开口4上游。
在当前情况下，排出开口5也可通过第二回收管8连接到供应开口4，在第二回收管8中设置有使用冷却剂的电池8a。第二回收管8从恒温阀2开始并最终回流到旁通管7。
使用冷却剂运转的车辆内部加热系统11设置在电池8a上游。防回流装置，例如防止冷却剂回流的止回阀11a，设置在电池8a和使用冷却剂运转的车辆内部加热系统11之间。
为了形成次级回路10而提供短路管9。特别是在图1中，使用短路管9从紧邻电池8a下游的第二回收管8分支形成第一节点9a，并且在紧邻电池8a的上游处——在止回阀11a和电池8a之间——回到第二回收管8中形成第二节点9b。
用于在次级回路10中输送冷却剂的蓄热器10a和泵10b设置在短路管9中。蓄热器10a设计为用于存储加热的冷却剂。加热的冷却剂可以是在电动马达1运转期间加热的冷却剂，但也可以是通过外部加热系统(未示出)加热的冷却剂。
第一流量调节器9a'设置在第一节点9a处。在当前情况下，包括三个连接端和两个切换位置的3/2向阀(即三端二位阀)用作第一流量调节器9a'。
在根据图1的电动马达1的第一运转模式中，将阻挡短路管9并打开第二回收管8。
在根据图2的电动马达1的第二运转模式中，将阻挡第二回收管8并打开短路管9。在该运转模式中，冷却剂可以通过短路管9在次级回路10中循环，其中来自蓄热器10a的温暖的冷却剂用于加热电池8a。
在图3中，排出开口5通过加热管12连接到蓄热器10a。特别地，加热管12从第二回收管8分支形成第三节点12a，并且通向蓄热器10a上游的短路管9形成第四节点12b。
第二流量调节器12a'设置在第三节点12a处。3/2向阀再次用作第二流量调节器12a'。在根据图3的电动马达1的第三运转模式中，将阻挡第二回收管8并且打开加热管12。
在从排出开口5排出后，通过电动马达1传输的冷却剂通过加热管12返回到蓄热器10a，由此在第三运转模式中的电动马达1运转期间用加热的冷却剂在一定程度上对蓄热器10a充能。在这种情况下，所提供的恒温阀2打开第二回收管8。
本文参考机动车辆的正常运转姿态而使用诸如“前部”、“后部”、“横向”、“纵向”、“垂直”、“前方”、“后方”、“侧方”等方向术语。应当理解，诸如“通常”、“大体”、和“大约”的术语不意在用作无边界术语，并且应当使用与本领域技术人员解释这些术语一致的方式来解释。
尽管不同示例具有图中所示的特定组件，但是本公开的实施例不限于那些特定组合。可以将来自一个示例的一些组件或特征与来自另一个示例的特征或组件结合使用。另外，伴随本公开的各种附图不一定按比例绘制，并且可能夸大或最小化一些特征以示出特定组件或布置的某些细节。
本领域普通技术人员将理解，上述实施例是示例性而非限制性的。也就是说，本公开的修改将落入权利要求的范围内。因此，应研究以下权利要求以确定其真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种电动马达用的冷却系统，包括：
具有热交换部件的电动马达，所述热交换部件具有用于接收冷却剂的供应开口和用于排出冷却剂的排出开口，其中：
所述排出开口通过冷却剂回路连接到所述供应开口，
所述冷却剂回路包括设置有热交换器的第一回收管、旁通管、和第二回收管，
所述排出开口通过所述第一回收管和所述旁通管而连接到所述供应开口，
所述旁通管绕过设置在所述第一回收管中的所述热交换器，
电池设置在所述第二回收管中，并且
所述第二回收管选择性地连接到短路管，所述短路管使得冷却剂从所述电池的下游位置流动并返回到所述电池的上游的所述第二回收管，并且
蓄热器设置在所述短路管中。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中流量调节器设置在所述电池的所述下游位置，并且构造成选择性地将所述第二回收管流体连接到所述短路管。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其中泵设置在所述短路管中。
4.根据权利要求1所述的冷却系统，其中使用冷却剂运转的车辆内部加热系统设置在所述电池的上游的所述第二回收管中。
5.根据权利要求4所述的冷却系统，其中防回流阀设置在所述使用冷却剂运转的车辆内部加热系统的下游和所述电池的上游。
6.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述第二回收管返回到所述旁通管。
7.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述蓄热器是可电加热的。
8.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述蓄热器配置为存储加热的冷却剂并且绝热。
9.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述排出开口通过加热管选择性地连接到所述蓄热器。
10.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述旁通管在节点处从所述主返回管分支，并且在所述节点处设置恒温阀。
11.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述电动马达用于驱动机动车辆。
12.根据权利要求11所述的冷却系统，其中所述电池是牵引电池。
13.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述热交换部件是相对于所述电动马达设置的热护套，所述供应开口配置为允许流体进入所述热护套，并且所述排出开口配置为引导流体流出所述热护套。
14.一种方法，包括：
利用来自电动马达的废热对蓄热器充能；并且
使所述蓄热器放能以加热电池。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述充能步骤包括通过加热管将冷却剂从电动马达引导到蓄热器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述放能步骤包括将冷却剂从所述蓄热器通过所述短路管引导到所述电池，所述蓄热器设置在所述短路管中。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述加热管连接到所述蓄热器的上游的所述短路管。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述放能步骤包括运行设置在所述短路管中的泵。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述短路管设置在电池的下游的第一位置和所述电池的上游的第二位置之间。
20.根据权利要求19所述的方法，其中流量调节器设置在所述第一位置，并且配置为选择性地将旁通管连接到所述短路管，所述电池设置在所述旁通管中，并且所述旁通管最终连接到所述电动马达。
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