CN111656601A - 用于冷却配备车辆的电存储装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过冷却剂回路对电存储装置进行冷却的方法，天然冷却剂尤其是二氧化碳在该冷却剂回路内流通。该冷却剂回路包括热联接到电存储装置的至少一个第一热交换器。该冷却方法至少包括：‑确定电存储装置的快速充电状态的第一步骤(E1)；‑确定要从电存储装置提取的热功率直到电存储装置被充电超过确定阈值的第二步骤(E2)；‑测量电存储装置的温度的第三步骤(E3)；‑调节第一热交换器内的冷却剂的流通以使冷却剂在15℃至28℃之间的第四步骤(E4)。

Description

用于冷却配备车辆的电存储装置的方法

技术领域

本发明的领域是用于车辆比如机动车辆的热调节系统。本发明的主题是一种用于冷却配备车辆比如机动车辆的电存储装置的方法。

背景技术

机动车辆通常配备有热调节系统，用于加热和/或冷却机动车辆的各个区域和/或不同部件。特别已知的是，使用这样的热调节系统来对送入机动车辆的乘客舱中的空气流进行热处理。

还已知使用该回路来冷却电存储装置，其包括机动车辆的至少一个电池，该电池用于向能够使机动车辆行驶的电动马达提供能量。因此，冷却剂回路提供能够在行驶阶段使用电存储装置时对其进行冷却的能量。

还已知的是，通过将机动车辆的电存储装置长时间尤其是数小时地连接到家用电网上来对其充电。这种充电技术可以消除对电池使用任何冷却系统的需要，或限制冷却系统所需的冷却功率。

最近已经开发了一种新的充电技术。它包括以高电压和电流(例如800V的电压和400A的电流)对电存储装置充电，以便在最多几十分钟的时间内为电存储装置充电。这种快速充电导致电存储装置变热，必须对其热处理。

因此，要解决的技术问题在于能够在快速充电期间尽可能有效地消散电存储装置产生的热能的能力，同时限制能量消耗和/或热调节系统的尺寸，包括在高外部温度的极端条件下，尤其是在机动车辆停车时。还应注意，还需要在冷却电存储装置的同时对车辆的乘客舱进行热处理。

发明内容

本发明属于这种情况，并且提出了一种用于冷却配备车辆尤其是机动车辆的热存储装置的方法，该方法允许使用天然冷却剂比如特别是二氧化碳的回路对热存储装置进行快速而有效的冷却，包括在对其快速充电期间。

根据本发明的冷却方法是一种用于通过其内流动有天然冷却剂的冷却剂回路来冷却电存储装置的方法。冷却剂回路包括热联接到电存储装置的至少一个第一热交换器，其中该冷却方法至少包括：

-确定电存储装置的快速充电状态的第一步骤。快速充电状态通过以下事实来定义：机动车辆处于充电点，电存储装置2连接到输送例如400A至800V电流的电源。

-确定要从电存储装置提取的热功率直到电存储装置的充电水平大于或等于确定阈值的第二步骤。确定阈值例如是100％的阈值。

-测量电存储装置的温度的第三步骤。

-调整第一热交换器内的冷却剂的流量以使冷却剂的温度在15℃至28℃之间的第四步骤。

这些规定使得通过将冷却剂的温度保持在15℃至28℃之间优选地在20℃至26℃之间的温度范围内来有效地冷却电存储装置，并且冷却剂在第一热交换器内保持的低压高于现有技术的低压。本发明利用天然冷却剂比如二氧化碳的特性来允许低压水平的增加，这导致回路的冷却性能增加。

冷却方法有利地包括以下特征中的至少任意一个，其独立地或组合地：

-第四步骤调整第一热交换器内的冷却剂的流量，以使冷却剂的温度在20℃和26℃之间。

-第二步骤考虑到电存储装置的充电水平。在第二步骤期间，从电存储装置的充电水平开始，为了达到大于或等于确定阈值的充电水平，对所产生的同时从观察到的充电水平变为确定阈值的热功率进行计算。所产生的热功率等同于从根据本发明的冷却方法的实施开始要提取的热功率。

-第一热交换器是传热流体回路的组成冷却剂/传热流体热交换器。

-传热流体回路包括可变速度泵。

-第四步骤包括改变泵的旋转速度的阶段。改变泵的旋转速度是调整第一热交换器内的传热流体的流量以最终允许设定冷却剂温度的步骤的变型。

-传热流体回路包括旁通管路，其在介于第一热交换器和电存储装置之间的分流点与介于电存储装置和第一热交换器之间的连接点之间延伸，并且旁通管路配备有用于控制在旁通管路内流动的传热流体的流量的装置。

-第四步骤包括通过打开或关闭用于控制流量的所述装置来改变传热流体的流量的阶段。改变在用于控制流量的装置中流动的传热流体的流量是调整第一热交换器内的传热流体的流量以最终允许设定冷却剂FR的温度的步骤的变型。

-第一热交换器是直接热交换器。直接热交换器设计成允许在第一热交换器内流动的冷却剂和电存储装置之间直接进行热交换，而无需例如通过传热流体回路。为此，第一热交换器是直接热交换器，其设计成允许在第一热交换器内流动的冷却剂和电存储装置之间通过传导进行热交换，并且设计成允许通过与围绕电存储装置和第一热交换器的空气对流进行热交换。

-冷却剂回路包括在第一热交换器上游的膨胀装置，流量控制阀介于第一热交换器和膨胀装置之间。改变在流量控制阀内流动的冷却剂的流量是调整第一热交换器内的冷却剂的流量以最终允许设定冷却剂的温度的步骤的变型。

-第四步骤包括将冷却剂的温度与为了优化热调节系统而设置的冷却剂的最小温度和最大温度进行比较的步骤。

-如果冷却剂的温度低于最小温度，则第四步骤包括有利地通过增加在第一热交换器内流动的冷却剂的流量来调整在第一热交换器内流动的冷却剂的流量的步骤，和/或增加在第一热交换器内流动的传热流体的质量流量的步骤。

-如果冷却剂的温度高于最大温度，则第四步骤包括有利地通过降低在第一热交换器内流动的冷却剂的流量来调整在第一热交换器内流动的冷却剂的流量的步骤，和/或降低在第一热交换器内流动的传热流体的质量流量的步骤。

-第一热交换器内的冷却剂压力保持在51巴至69巴之间，优选地在57巴至65巴之间，以优化热调节系统。应当理解，从第一热交换器内的低压开始，该低压高于现有技术的低压，由于电存储装置的整体热导率的提高以及第一热交换器内的冷却剂和/或传热流体的质量流量的变化，要从电存储装置提取的热功率由热调节系统的冷却功率正确地补偿。

-冷却剂是二氧化碳。

附图说明

通过阅读下面以说明方式并参考附图给出的描述，本发明的其他特征、细节和优点将变得更加明显，其中：

-图1是根据本发明的热调节系统的第一实施例变型的示意图，

-图2是根据本发明的热调节系统的第二实施例变型的示意图，

-图3是热力学循环的图示，其以焓图表示并由前面附图中所示的任一热调节系统执行，

-图4是根据本发明的冷却方法的示意图，其由图1和2所示的任一热调节系统实施。

具体实施方式

首先应该注意的是，附图详细地阐述了本发明以用于实施其，当然，如果必要的话，所述附图可以用来更好地定义本发明。

下面关于所讨论的流体即冷却剂、传热流体或空气流的流动方向来说明各个部件。在以下描述中使用的术语上游和下游涉及所述流体的流动方向。

图1和2示出了旨在配备车辆尤其是电动车辆的热调节系统1，至少通过由电存储装置2供应的一个或多个电动马达来使车辆运动，而对于混合动力车辆则另外通过热力发动机。电存储装置2包括至少一个电池，优选地为多个电池，其任选地与转换器类型等的其他电气部件相关。

热调节系统1旨在冷却电存储装置2并且还冷却第一空气流F1，该第一气流F1例如是旨在被允许进入机动车辆的乘员舱的空气流和/或从机动车辆的乘员舱再循环并返回的空气流。

热调节系统1包括冷却剂FR在其内流动的冷却剂回路3。冷却剂FR是天然类型的冷却剂，特别是通常被称为R744的二氧化碳，或类似的冷却剂。该冷却剂FR由于是天然的而因此具有对环境没有负面影响的优点。冷却剂FR表现出如图3所示的焓图或莫里尔曲线，其具有饱和曲线CS，该饱和曲线对于焓大于冷却剂FR的临界点Pc的焓而言是减小函数。换句话说，沿着饱和曲线CS，并且对于焓大于临界点Pc的焓而言，焓越大，压力越低。

冷却剂回路3包括至少一个第一热交换器4，其热联接到电存储装置2以对其冷却。如图1所示，这种联接是直接的，或者如图2所示，这种联接是间接的，这两种变型将在下面详细描述。

冷却剂回路3还包括用于压缩冷却剂FR的装置5，比如压缩机等，以便将冷却剂FR从低压BP压缩至高压HP，高压HP严格大于低压BP。

冷却剂回路3还包括第二热交换器6，其能够允许在第二空气流F2和冷却剂FR之间热交换，特别是为了在恒定压力下冷却后者。第二空气流F2例如是旨在冷却第二热交换器6并且连续地冷却在第二热交换器6内流动的冷却剂FR的外部空气流。第二热交换器6例如安装在机动车辆的前部，并且第二热交换器6因此用作空气冷凝器。

冷却剂回路3还包括膨胀构件7，其能够允许冷却剂FR从高压HP膨胀到低压BP。膨胀构件7是恒温膨胀阀、电子膨胀阀、节流管等。

冷却剂回路3还包括第三热交换器8，其能够允许在第一空气流F1和冷却剂FR之间热交换，以便冷却第一空气流F1。因此，第三热交换器8的行为特别类似于蒸发器，该蒸发器能够在第一空气流F1进入机动车辆的乘客舱之前对其冷却。第三热交换器8例如容纳在机动车辆的通风、供暖和/或空调设备的内部，如果必要的话，其可被并入根据本发明的热调节系统1中。

冷却剂回路3还包括内部热交换器9，其具有第一通道10和第二通道11，内部热交换器9设计成使得在第一通道10内流动的冷却剂FR与在第二通道11内流动的冷却剂FR交换热量。

冷却剂回路3具有介于内部热交换器9的第一通道10和膨胀构件7之间的分叉点P1以及介于第三热交换器8和内部热交换器9的第二通道11之间的会聚点P2。

冷却剂回路3具有在分叉点P1和分叉点P2之间延伸的第一分支13，第一分支13包括膨胀构件7和第三热交换器8。

冷却剂回路3具有第二分支13'，其在分叉点P1和会聚点P2之间平行于第一分支13延伸，第二分支13'包括膨胀装置14，另外还包括如图1所示的流量控制阀15以及第一热交换器4。膨胀装置14能够使冷却剂FR从高压HP膨胀到低压BP。膨胀装置14是恒温膨胀阀、电子膨胀阀、节流管等。流量控制阀15设计成控制在流量控制阀15内流动的冷却剂FR的流量，以实现设定在第一热交换器4中的冷却剂的温度的步骤。

改变在流量控制阀15内流动的冷却剂FR的流量是调整第一热交换器4内的冷却剂FR的流量以最终允许根据本发明的方法设定冷却剂的温度的步骤的变型，如下所述。

冷却剂FR从压缩装置5流到第二热交换器6，然后流到内部热交换器9的第一通道10，然后直至分叉点P1。然后，冷却剂FR或在第一分支13内流动，即流到膨胀构件7，然后流到第三热交换器8，以便到达会聚点P2；或在第二分支13′内流动，即流到膨胀装置14，可选地在流量控制阀15内，然后流动第一热交换器4，以便到达会聚点P2。然后，冷却剂FR从会聚点P2流到内部热交换器9的第二通道11，以便到达压缩装置5。

冷却剂FR在压缩装置5的出口与膨胀构件7或膨胀装置14的入口之间处于高压HP。冷却剂FR在膨胀构件7或膨胀装置14的出口与压缩装置5的入口之间处于低压BP。

在图1中，第一热交换器4是直接热交换器，其设计成允许在第一热交换器4内流动的冷却剂FR与电存储装置2之间直接进行热交换，而无需例如通过传热流体回路。为此，第一热交换器4是直接热交换器，其设计成允许通过在第一热交换器4内流动的冷却剂FR与电存储装置2之间传导进行热交换，和/或设计成允许通过与电存储装置2和第一热交换器4周围的空气对流进行热交换。

在图2中，第一热交换器4是冷却剂/传热流体热交换器，其设计成允许在第二分支13内流动的冷却剂FR与在传热流体回路16内流动的传热流体FC之间进行热交换。更具体地，第一热交换器4旨在允许在第一热交换器4的第一通道17内流动的冷却剂FR与在第一热交换器4的第二通道18内流动的传热流体FC之间进行热交换，第二通道18是传热流体回路16的组成部分。

传热流体回路16包括用于使传热流体FC在传热流体回路16内流动的泵19。优选地，泵19是可变速度泵，使得泵19能够使传热流体FC在传热流体回路16内以各种流量运动。

改变泵19的速度是调整第一热交换器4内的传热流体FC的流量以最终允许根据本发明的方法来设定冷却剂FR温度的步骤的另一变型，如下所述。

传热流体回路16具有分流点P'1，其介于泵19和第一热交换器4的第二通道18之间。传热流体回路16具有连接点P'2，其介于第一热交换器4的第二通道18和电存储装置2之间。第一热交换器4的旁通管路20在分流点P'1和连接点P'2之间延伸，旁通管路20配备有用于控制旁通管路20内的传热流体FC的流量的装置21。

传热流体FC在传热流体回路16内从泵19流到分流点P'1，然后流到流量控制装置21以到达连接点P'2，或流到第一热交换器4的第二通道18然后以到达连接点P'2。传热流体FC从连接点P'2流经电存储装置2流向泵19。

改变在流量控制装置21中流动的传热流体的流量是调整第一热交换器4内的传热流体FC的流量以最终允许根据本发明的方法来设定冷却剂FR的温度的步骤的另一变型，如下所述。

再次参考图3，冷却剂FR在冷却剂回路3内经历热力学循环，其包括：

-压缩冷却剂FR的第一阶段AB，其在压缩装置5内进行，并且在此期间，冷却剂FR从绝对压力约为57巴的低压BP被压缩到绝对压力约为120巴的高压HP，

-通过冷却剂FR将热量排至第二空气流F2的第二阶段BC，其在第二热交换器6内进行，然后将其用作气体冷却器，

-使冷却剂FR从高压HP膨胀到低压BP的第三阶段CD，其由膨胀构件14执行，

-蒸发冷却剂FR的第四阶段DA，其在第一热交换器4内进行。

根据本发明，有效地执行了这种热力学循环，从而为电存储装置2提供了适当且最佳的冷却。这种热力学循环允许在考虑到瞬时测量和/或计算出的参数的情况下进行冷却，这些参数包括热调节系统1的物理特征，比如电存储装置的温度Tbatt、第二空气流F2的外部温度Text、冷却剂的温度TFR，尤其是传热流体的温度TFC，以便实时地改变在第一热交换器4内流动的流体即传热流体FC或冷却剂FR的质量流量M。

该结果是从实施图4所示的流程图描述的冷却方法开始获得的。

冷却方法包括初始化上述参数的至少各个值的步骤101。

冷却方法然后包括获取实现该方法所必需的上述参数的步骤102。获取步骤102尤其包括获取外部温度Text的步骤，比如第二空气流F2的温度，其是在第二空气流F2通过第二热交换器6的流动方向上在第二热交换器6的上游测量的。

冷却方法然后包括确定冷却能力目标的步骤103。应当记住，热调节系统1的冷却能力CoolCap特别是由以下公式[1]给出：

CoolCap＝M(H₂–H₁) [1]

其中：

-M是第一热交换器4内的冷却剂FR的质量流量，

-H2是第一热交换器4的出口处的冷却剂FR的焓，以及

-H1是第一热交换器4的入口处的冷却剂FR的焓。

确定冷却能力目标的步骤103包括确定电存储装置2的快速充电状态Ech的第一步骤E1。在第一确定步骤E1期间，检查电存储装置2在快速充电状态下是否有效，也就是说，尤其是机动车辆是否在发动机停止的情况下处于停车点，电存储装置2连接到以800V输送例如400A电流的电源。在第一步骤E1期间，还检查电存储装置2的充电水平，以便知道要施加的充电以达到确定充电阈值，特别是由用户选择的，或实现100％的充电水平，或电存储装置2的最大充电水平。

确定冷却能力目标的步骤103还包括确定要从电存储装置2提取的热功率Pth直到电存储装置2的充电水平达到确定阈值的第二步骤E2。通常，确定阈值为100％，其指示电存储装置2处于其最大存储容量。在第二步骤E2期间，从电存储装置2的充电水平开始并且为了实现100％的充电水平，计算所产生的且因此要被提取同时从观察到的充电水平变化为100％的充电水平的热功率。

冷却方法还包括测量电存储装置的温度Tbatt的第三步骤E3。该获取例如通过容纳在电存储装置2中的温度传感器来进行。电存储装置的温度Tbatt随后用于测量热调节系统1的冷却功率Pfr。

冷却方法然后包括调整第一热交换器4内的冷却剂FR或传热流体FC的流量以使冷却剂的温度TFR在15℃至28℃之间优选为在20℃至26℃之间的第四步骤E4。换句话说，本发明有利地提出，通过调整第一热交换器4内的冷却剂FR和/或传热流体FC的流量，将冷却剂的温度TFR保持在15℃至28℃之间优选在20℃至26℃之间的温度范围内，更具体地，通过控制第一热交换器4内的冷却剂FR或传热流体FC的质量流量M。

为此，第四步骤E4包括改变电存储装置的总热导率Gbatt的步骤。应当记住，电存储装置的总热导率Gbatt是第一热交换器4内的冷却剂FR的质量流量M的增加函数。电存储装置的总热导率Gbatt由以下公式[2]给出：

Gbatt＝(1/Gb+1/Gi+1/Gp+1/Gc+1/Gch)^-1 [2]

其中：

-Gb是电存储装置2的热导率，

-Gi是设置在电存储装置2与包括例如热垫的第一热交换器4之间的界面的热导率，

-Gp是第一热交换器4的壁的热导率，

-Gc是传热流体FC的热导率，以及

-Gch是冷却剂FR的热导率。

热调节系统1的冷却功率Pfr由以下公式[3]给出：

Pfr＝Gbatt(Tbatt–TFR) [3]

为了实现所设定的目标，必须要从电存储装置2提取的热功率Pth与热调节系统1的冷却功率Pfr相等，并由此进行补偿。

冷却方法然后包括将冷却剂的温度TFR与被设定以优化热调节系统1的冷却剂FR的最小温度Tmin和最大温度Tmax进行比较的步骤104。最小温度Tmin特别地等于15℃，优选20℃。温度Tmax特别地等于28℃，优选等于26℃。

如果冷却剂TFR的温度处于最小温度Tmin和最大温度Tmax之间的条件，则该方法迭代地返回到初始化步骤101或中间步骤X。

如果冷却剂的温度TFR低于最小温度Tmin，则由此推断出冷却剂的温度TFR太低，并且有必要调整冷却剂FR的流量，例如与在温度比较之前冷却剂具有的质量流量相比，通过增加在第一热交换器4内流动的冷却剂FR的质量流量M，或者与在温度比较之前传热流体的质量流量相比，增加在第一热交换器4内流动的传热流体FC的质量流量M。

如果冷却剂的温度TFR高于最大温度Tmax，则由此推断出冷却剂的温度TFR太高，并且有必要调整冷却剂FR的流量，特别是与在温度比较之前冷却剂具有的质量流量相比，通过减小在第一热交换器4内流动的冷却剂FR的质量流量M，或者与在温度比较之前传热流体的质量流量相比，降低在第一热交换器4内流动的传热流体FC的质量流量M。

根据图1所示的热调节系统1的实施例变型，通过打开和/或关闭流量控制阀15来改变质量流量M。

根据图2所示的热调节系统1的实施例变型，通过打开和/或关闭流量控制装置21或通过增加或减小泵19的旋转速度来改变质量流量M。

这些规定的组合具有的效果是，热调节系统1是有效的并且能够在快速充电状态下从低压BP开始冷却电存储装置2，低压BP明显高于现有技术的低压，包括当冷却剂FR是天然类型的流体时，在确保车辆的乘客室的冷却的同时，这种双重冷却的能量平衡特别好。

然而，本发明不限于在此描述和示出的装置和配置，而且还扩展到所有等同的装置或配置以及这些装置的任何技术上的功能组合。特别地，冷却剂回路3和/或传热流体回路16的架构可被修改而不损害本发明，只要其实现本文件中描述的功能即可。

Claims (15)

1.一种用于通过其内流动有天然冷却剂(FR)的冷却剂回路(3)来冷却电存储装置(2)的方法，该冷却剂回路(3)包括热联接到电存储装置(2)的至少一个第一热交换器(4)，其中，该冷却方法至少包括：

-确定电存储装置(2)的快速充电状态(Ech)的第一步骤(E1)，

-确定要从电存储装置(2)提取的热功率(Pth)直到电存储装置(2)的充电水平大于或等于确定阈值的第二步骤(E2)，

-测量电存储装置的温度(Tbatt)的第三步骤(E3)，

-调整第一热交换器(4)内的冷却剂(FR)的流量以使冷却剂的温度(TFR)在15℃至28℃之间的第四步骤(E4)。

2.如权利要求1所述的冷却方法，其中，所述第四步骤(E4)调整第一热交换器(4)内的冷却剂(FR)的流量，以使冷却剂(FR)的温度在20℃和26℃之间。

3.如前述权利要求中任一项所述的冷却方法，其中，所述第二步骤(E2)考虑到电存储装置(2)的充电水平。

4.如前述权利要求中任一项所述的冷却方法，其中，所述第一热交换器(4)是传热流体(FC)回路(13)的组成冷却剂/传热流体热交换器。

5.如权利要求4所述的冷却方法，其中，所述传热流体回路(13)包括可变速度泵(19)。

6.如权利要求5所述的冷却方法，其中，所述第四步骤(E4)包括改变所述泵(19)的旋转速度的阶段。

7.如权利要求4至6中任一项所述的冷却方法，其中，所述传热流体回路(13)包括旁通管路(20)，其在介于第一热交换器(4)和电存储装置(2)之间的分流点(P'1)与介于电存储装置(2)和第一热交换器(4)之间的连接点(P'2)之间延伸，并且所述旁通管路(20)配备有用于控制在旁通管路(20)内流动的传热流体(FC)的流量的装置(21)。

8.如权利要求6所述的冷却方法，其中，所述第四步骤(E4)包括通过打开或关闭用于控制流量的所述装置(21)来改变传热流体(FC)的流量的阶段。

9.如前述权利要求中任一项所述的冷却方法，其中，所述第一热交换器(4)是直接热交换器。

10.如前述权利要求中任一项所述的冷却方法，其中，所述冷却剂回路(3)包括在第一热交换器(4)上游的膨胀装置(14)，流量控制阀(15)介于第一热交换器(4)和膨胀装置(14)之间。

11.如前述权利要求中任一项所述的冷却方法，其中，所述第四步骤(E4)包括将冷却剂的温度(TFR)与为了优化热调节系统(1)而设置的冷却剂(FR)的最小温度(Tmin)和最大温度(Tmax)进行比较的步骤(104)。

12.如权利要求11所述的冷却方法，其中，如果冷却剂的温度(TFR)低于最小温度(Tmin)，则第四步骤(E4)包括调整在第一热交换器(4)内流动的冷却剂(FR)的流量的步骤，和/或增加在第一热交换器(4)内流动的传热流体(FC)的质量流量(M)的步骤。

13.如权利要求11所述的冷却方法，其中，如果冷却剂的温度(TFR)高于最大温度(Tmax)，则第四步骤(E4)包括调整在第一热交换器(4)内流动的冷却剂(FR)的流量的步骤，和/或降低在第一热交换器(4)内流动的传热流体(FC)的质量流量(M)的步骤。

14.如前述权利要求中任一项所述的冷却方法，其中，所述第一热交换器(4)内的冷却剂压力保持在51巴和69巴之间，以便优化热调节系统(1)。

15.如前述权利要求中任一项所述的冷却方法，其中，所述冷却剂(FR)是二氧化碳。

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