CN111727128A - 用于电动车辆中的低品级热回收的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式提供了一种用于电动车辆(1)的热回收系统，该热回收系统包括：第一和第二可切换热源(65、19)以及控制装置(20)，该控制装置可操作成选择性地将其中一个热源切换成与热力学循环系统(12)中的压缩机(11)热连通，该热力学循环系统与热吸收装置(59、159)热连通；以及检测装置(39、71、T3)，其可操作成检测每个可切换热源与进入压缩机的流体之间的温度差；其中，控制装置能够操作(适配、布置)成当在进入热力学循环系统中的压缩机的流体与能够从第一和第二可切换热源中的一者获得的热之间检测到一温度差时将该可切换热源切换成与热力学循环系统热连通，该温度差使得压缩机(11)能够操作成在压缩机(11)操作时将来自该可切换热源(65、19)的低品级热提升为较高品级热。

Description

用于电动车辆中的低品级热回收的设备和方法
技术领域
本公开涉及热回收系统，并且具体地但非排他性地涉及用于电动车辆的低品级热回收系统。本发明的各方面涉及热回收系统、车辆以及回收低品级热能的方法，其中，热回收系统、车辆以及回收低品级热能的方法是各个独立权利要求的主题。
背景技术
内燃发动机意味着能够从燃料的燃烧容易地获得高品级热能以对车辆的元件比如客舱和电池进行加热。然而，在电动车辆中，高品级能量具有非常高的价值，并且必须尽可能地保存和回收。
本发明适用于纯电动车辆，并且改善了在寒冷环境条件下的舱室加热和电池加热。通常消耗电力以提供直接的电加热，然而在电动车辆中，直接的电力对于为车辆提供动力是有价值的，并且本发明寻求从环境空气和动力传动系部件两者中回收热以将热传送至舱室和电池，而不是使用高价值的直接电能。
本发明的目的是提供一种热回收系统，以提高电化学动力车辆中的热回收效率。
本发明的实施方式的目的是至少减轻现有技术的问题中的一个或更多个问题。
发明内容
本发明的各方面和实施方式提供了如所附权利要求中所述的热回收系统、车辆和回收低品级热能的方法。
根据本发明的一方面，提供了一种用于电动车辆的热回收系统，该热回收系统包括：可切换热源和控制装置，该控制装置能够操作成选择性地将热源中的至少一个热源切换成与热力学循环系统中的压缩机热连通，该热力学循环系统与热吸收装置(heat sink)热连通；以及检测装置，该检测装置能够操作成检测可切换热源中的每个可切换热源与进入压缩机的流体之间的温度差；其中，控制装置能够操作(适配、布置)成当在进入热力学循环系统中的压缩机的流体与能够从可切换热源中的至少一个可切换热源获得的热之间检测到一温度差时将可切换热源切换成与热力学循环系统热连通。
根据本发明的一方面，提供了一种用于电动车辆的热回收系统，该热回收系统包括：第一可切换热源和第二可切换热源以及控制装置，该控制装置能够操作成选择性地将其中一个热源切换成与热力学循环系统中的压缩机热连通，该热力学循环系统与热吸收装置热连通；以及检测装置，该检测装置能够操作成检测可切换热源中的每个可切换热源与进入压缩机的流体之间的温度差；其中，该控制装置能够操作(适配、布置)成当在进入热力学循环系统中的压缩机的流体与能够从第一可切换热源和第二可切换热源中的一者获得的热之间检测到一温度差时将该可切换热源切换成与热力学循环系统热连通。
在某些实施方式中，该温度差使得压缩机能够操作成在压缩机的操作时将来自可切换热源的低品级热提升为较高品级热。
在某些实施方式中，第一可切换热源和第二可切换热源各自与热力学循环系统内的流体热连通，并且控制装置能够操作(适配、布置)成致动至少一个控制阀，所述至少一个控制阀能够操作成选择性地将与可切换热源中的一个可切换热源热连通的流体切换成与热力学循环系统中的压缩机热连通，其中，控制器能够操作(适配、布置)成当在进入热力学循环系统中的压缩机的流体与能够从第一可切换热源和第二可切换热源中的一者获得的热之间检测到一温度差时致动所述至少一个控制阀，以将该可切换热源切换成与热力学循环系统热连通，该温度差使得压缩机能够操作成在压缩机操作时将来自可切换热源的低品级热提升为较高品级热。
在某些实施方式中，温度差为至少5开尔文。也就是说，能够从第一可切换热源获得的热与进入压缩机的流体之间的温度差和/或能够从第二可切换热源获得的热与进入压缩机的流体之间的温度差为至少5开尔文。以这种方式，压缩机的入口处的吸入温度与能够从热源获得的热之间的温度差足以使低品级热能提升为高品级热能。
在某些实施方式中，第一可切换热源或第二可切换热源处的温度高于进入压缩机的流体的温度。在一些实施方式中，进入压缩机的流体的温度大于或等于-20摄氏度。在该温度以下，压缩机不会运行。
在某些实施方式中，检测装置配置(适配、布置)成依次监测第一可切换热源与进入压缩机的流体之间的温度差以及第二可切换热源与进入压缩机的流体之间的温度差。以这种方式，具有最大的可获得的低品级能量的热源可以被切换成与压缩机热连通。
在某些实施方式中，第一热源和第二热源与热力学循环系统之间的热连通是借助于传导性热传递的。
在某些实施方式中，检测装置包括一个或更多个温度传感器。更具体地，检测装置包括：压缩机的入口处的至少一个温度传感器，并且压缩机的入口处的所述至少一个温度传感器能够操作成监测进入压缩机的流体的温度；以及第一热源和第二热源中的每一者的出口处的另一温度传感器，第一热源和第二热源中的每一者的出口处的另一温度传感器各自能够操作成监测可从热源获得的温度。
在某些实施方式中，检测装置以可操作的方式链接至控制装置，以提供压缩机的入口处的温度以及第一热源和第二热源中的每一者处的温度，并且控制装置能够操作成确定第一热源与进入压缩机的流体之间的温度差以及第二热源与进入压缩机的流体之间的温度差。
在某些实施方式中，控制装置以可操作的方式链接至检测装置，并且控制装置能够操作成响应于检测装置检测到第一可切换热源与热力学循环系统之间的一温度差以及第二可切换热源与热力学循环系统之间的一温度差中的至少一者而致动所述至少一个控制阀，使得其中一个热源被切换成与热力学循环系统热连通。
在某些实施方式中，控制装置包括至少一个控制器、控制单元或控制模块。
在某些实施方式中，控制装置包括可编程CPU(例如，可编程电子控制单元(ECU)等)。
在某些实施方式中，用软件对CPU进行编程以实现本发明的方法。
在某些实施方式中，热力学循环系统包括热泵。
在某些实施方式中，热力学循环系统包括：第一单相流体系统，该第一单相流体系统包括至少一个热交换器；多相流体系统，该多相流体系统与所述至少一个热交换器流体连通并且包括位于热交换器的下游的至少一个压缩机；以及第二单相流体系统，该第二单相流体系统位于压缩机的下游，并且第二单相流体系统包括至少一个热交换器，第一单相流体系统、多相流体系统和第二单相流体系统相继地彼此热连通。
在某些实施方式中，热力学循环系统包括：冷却剂系统，该冷却剂系统包括至少一个热交换器；制冷剂系统，该制冷剂系统与所述至少一个热交换器流体连通并且包括位于热交换器的下游的至少一个压缩机；以及第二冷却剂系统，该第二冷却剂系统位于压缩机的下游，并且第二冷却剂系统包括至少一个热交换器，冷却剂系统和制冷剂系统相继地彼此热连通。
更具体地，热力学循环系统包括冷却剂回路，该冷却剂回路流体连接至用作蒸发器的热交换器，该热交换器进一步流体连接至制冷剂系统中的压缩机，该制冷剂系统包括制冷剂回路，该回路包括用作冷凝器的热交换器。制冷剂回路中的冷凝器与第二冷却剂回路热连通，第二冷却剂回路又包括与热吸收装置热连通的热交换器。
在某些实施方式中，热力学循环系统包括：环境空气捕获单元系统，该环境空气捕获单元系统包括至少一个热交换器；制冷剂系统，该制冷剂系统与所述至少一个热交换器流体连通并且包括位于热交换器的下游的至少一个压缩机；以及冷却剂系统，该冷却剂系统位于压缩机的下游并且包括至少一个热交换器，冷却剂系统和制冷剂系统相继地彼此热连通。
在某些实施方式中，环境空气捕获单元系统包括作为冷凝器的至少一个热交换器。
在某些实施方式中，环境空气捕获单元系统包括作为蒸发器或除湿器的至少一个热交换器。
在某些实施方式中，其中，第二单相流体系统包括与热吸收装置热连通的至少一个热交换器。
在某些实施方式中，其中，位于压缩机的下游的冷却剂系统包括与热吸收装置热连通的至少一个热交换器。
在某些实施方式中，第二单相流体系统包括至少一个阀，所述至少一个阀能够控制成将单相流体流切换到与第二热吸收装置热连通的热交换器。更具体地，至少一个三通阀能够控制成将单相流体流切换到与第二热吸收装置热连通的热交换器。
在某些实施方式中，位于压缩机的下游的冷却剂系统包括至少一个阀，所述至少一个阀能够控制成将冷却剂流切换到与第二热吸收装置热连通的热交换器。更具体地，至少一个三通阀能够控制成将单相流体流切换到与第二热吸收装置热连通的热交换器。
在某些实施方式中，第二热吸收装置是动力电池。
在某些实施方式中，与第二热吸收装置热连通的热交换器与第一热吸收装置进一步热连通。更具体地，与第一热吸收装置和第二热吸收装置流体连通的热交换器是冷凝器。
在某些实施方式中，可切换热源是低品级能源。
在某些实施方式中，热力学循环系统能够操作(适配、布置)成将来自可切换热源的低品级能量转换成较高品级能量。
在某些实施方式中，低品级能源是动力传输单元、HVAC蒸发器或环境空气中的一者或更多者。
在某些实施方式中，热吸收装置是客舱和动力电池中的一者。
在某些实施方式中，一个或多个低品级能源经由冷却剂回路与热力学循环系统热连通。
在某些实施方式中，低品级能源经由控制阀与热力学循环系统热连通，该控制阀能够操作成选择流体连接至热力学循环系统的低品级能源。
在某些实施方式中，所述至少一个控制阀是三通阀。
在某些实施方式中，所述至少一个控制阀包括膨胀阀、三通阀和切断阀。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括发动机和根据本发明的热回收系统的车辆，其中，热吸收装置是客舱和动力电池中的一者或更多者。
在某些实施方式中，发动机是电化学地供以动力的。
根据本发明的另一方面，提供了一种在电动车辆中回收低品级热能的方法，该方法包括：提供第一可切换低品级热源和第二可切换低品级热源；提供热力学循环系统，该热力学循环系统包括分别与第一可切换低品级热源和第二可切换低品级热源中的每一者热连通的第一流体和第二流体；检测进入热力学循环系统中的压缩机的流体与能够从第一可切换热源和第二可切换热源获得的热之间的温度差；当该温度差使得热力学循环系统中的压缩机能够操作成在该压缩机操作时将来自其中一个可切换热源的低品级热提升为较高品级热时，将与该可切换热源热连通的第一流体或第二流体切换成与压缩机热连通；将较高品级热传递至热吸收装置。
在某些实施方式中，温度差为至少5开尔文。以这种方式，有用的低品级热能可以从热源中提取并且通过该系统提升。
在某些实施方式中，第一可切换热源或第二可切换热源处的温度高于进入压缩机的流体的温度。
在某些实施方式中，从环境空气捕获单元系统经由热联接制冷剂回路回收的热以及从动力传动系经由热联接冷却剂回路回收的热首先被用于加热第一热吸收装置(例如，客舱)，然后当第一热吸收装置(例如，客舱)达到正确的温度舒适度时，第二热吸收装置(例如，动力电池加热器)比例阀打开，以分配可以在第一热吸收装置(例如，客舱)之间获得的加热，并且部分地加热第二热吸收装置(例如，动力电池)。
在某些实施方式中，存在处于控制装置的控制下的至少两个可切换三通阀，并且所述至少两个可切换三通阀能够操作成将从第一可切换热源捕获热切换到从第二可切换热源捕获热，并且进一步操作成允许热流从低品级第一热源和低品级第二热源(例如，动力传动系和外部环境空气)经由以下各者的选定组合分配至第一热吸收装置和第二热吸收装置(例如，客舱和动力电池)：热泵环路，该热泵环路包括流体联接至压缩机的热泵冷凝器或蒸发器；以及3种流体传递回路(第一冷却剂回路和第二冷却剂回路以及制冷剂回路)。更具体地，选定组合可以是：第一冷却剂传递回路、制冷剂流体传递回路和第二冷却剂流体传递回路；包括流体联接至压缩机的热泵冷凝器的热环回路以及制冷剂流体传递回路和第二冷却剂流体传递回路；包括流体联接至压缩机的蒸发器的热环回路以及制冷剂流体传递回路和第二冷却剂流体传递回路；或第一冷却剂传递回路、制冷剂流体传递回路和与第一热吸收装置和第二热吸收装置两者热连通的第二冷却剂流体传递回路。
在某些实施方式中，热泵环路包括热联接至热泵冷凝器或蒸发器的第二低品级能量热源(例如，环境空气捕获单元系统)，该热泵冷凝器或蒸发器流体联接至压缩机和制冷剂流体传递回路。
在某些实施方式中，热泵环路包括热联接至与至少一个切断阀和膨胀阀相关联的热泵冷凝器的第二低品级能量热源(例如，环境空气捕获单元系统)，该热泵冷凝器在所述至少一个切断阀处的膨胀阀打开时通过制冷剂回路流体联接至热泵(例如压缩机)。
在某些实施方式中，热泵环路包括热联接至与至少一个切断阀相关联的蒸发器的第二低品级能量热源(例如，环境空气捕获单元系统)，该蒸发器在所述至少一个切断阀打开时通过制冷剂回路流体联接至热泵(例如压缩机)。
在某些实施方式中，包含低品级热的第一传递流体回路包括：冷却剂回路，该冷却剂回路与第一低品级热源(例如动力传动系、电池)热连通；泵，该泵与第一低品级热源相关联并且能够操作成使冷却剂流体绕回路移动；可切换三通阀，该可切换三通阀能够在第一位置中操作成使低品级能量排出至第一流体回路中的位于低品级热源的上游的另一热交换器，并且该可切换三通阀能够在第二位置中操作成将冷却剂回路流体连接至热交换器(例如蒸发器或除湿器)和第二流体回路。
在某些实施方式中，其中将低品级热转换成高品级热的第二传递流体回路包括第一流体回路的热交换器(例如蒸发器或除湿器)的制冷剂侧、热泵(例如压缩机)以及位于压缩机的下游并且热联接至第三流体回路的热交换器。
在某些实施方式中，第三流体传递回路包括第二流体回路的位于压缩机的下游的热交换器的冷却剂侧、能够操作成使冷却剂流体绕回路移动的泵、与第一高品级热吸收装置(例如客舱)热连通的热交换器以及位于与第一高品级热吸收装置热连通的热交换器的下游的可切换三通阀，该可切换三通阀能够在第一位置中操作成将冷却剂流体返回至第二流体回路的热交换器的冷却剂侧，并且能够在第二位置中操作成将冷却剂流引导至另一热交换器(例如冷凝器)，其中，冷却剂在至第二流体回路的热交换器的冷却剂侧的回流冷却剂流体与包括第二热吸收装置(例如动力电池)的冷却剂回路之间分配。
以这种方式，当第一流体回路的可切换三通阀处于第二位置时，低品级热经由热交换器(例如蒸发器、除湿器)从第一流体回路传递至第二流体回路，并且然后经由压缩机的下游的热交换器(例如冷凝器)从第二流体回路传递至第三流体回路，第二流体回路泵(例如压缩机)经由第三流体回路和与第一热吸收装置热连通的热交换器(例如冷凝器)将高品级热传递至第一高品级热吸收装置(例如客舱)，并且当第三流体回路的可切换三通阀处于第二位置时将高品级热传递至第二高品级热吸收装置(例如动力电池)。
在某些实施方式中，回路和热泵环路各自包括连接管线(例如，导管、管道)以将回路的部件流体连接。
在某些实施方式中，本发明的热回收系统具有各种操作模式，在各种操作模式中，低品级热能被从低品级能量热源中的一个低品级能量热源传递至至少一个热吸收装置。
在某些实施方式中，各种操作模式将热从动力传动系传递至客舱，从环境空气捕获单元系统传递至客舱，通过除湿从环境空气捕获单元系统传递至客舱或从动力传动系传递至动力电池(和客舱)。
在某些实施方式中，可以设想的是，根据车辆的使用和环境温度(例如，预热温度)，在各种模式之间可能存在操作变化。
在某些实施方式中，从电动车辆动力传动系和外部环境空气(第二热源)回收的低品级热能由以可操作的方式链接至系统的部件的控制装置根据控制算法并且按可切换热源的热力学熵的状态的顺序被以可切换的方式调度。控制装置能够操作成启动本发明的系统中的模式A、模式B、模式C、模式D中的一种或更多种模式。
模式A
来自电动车辆动力传动系的低品级热能传递至包括单相流体(例如，冷却剂)的第一流体传递回路。该流体(例如冷却剂)经由三通阀引导至热交换器(例如蒸发器、除湿器)。低品级热在热交换器(例如，蒸发器、除湿器)内从单相流体(例如，冷却剂)交换到第二流体传递回路的多相流体(例如，制冷剂)。然后，使用包括需要输入电能的压缩机的热泵，经由蒸汽压缩热力学循环将热的品级从低提升为高。然后，从热泵(例如压缩机)输出的高品级热经由包括制冷剂流体的第二流体回路中的切断阀输送至热交换器(例如间接冷凝器)中。然后，该高品级热在热交换器(例如，间接冷凝器)内传递至其中为单相流体(例如，冷却剂)的第三流体传递回路。然后，利用泵将该高品级热通过单相流体回路(例如冷却剂)输送至另一热交换器，在该另一热交换器处，高品级热传递至第一高品级热吸收装置(例如客舱)。
模式B
来自环境空气的低品级热能被捕获在环境空气捕获单元中。低品级热被回收到包括多相流体(例如制冷剂)和热交换器(例如热泵冷凝器)的热环回路中。使用包括需要输入电能的压缩机的热泵将低品级热在热环回路中经由切断阀传递至蒸气压缩热力学循环，其中，低品级热能被提升为高品级能量。然后，这种高品级热在第二流体传递回路中经由另一切断阀传递至热交换器(例如，间接冷凝器)中。然后，该高品级热在热交换器(例如，间接冷凝器)内传递至其中为单相流体(例如，冷却剂)的第三流体传递回路。然后，利用泵将该高品级热通过单相流体回路(例如冷却剂)输送至另一热交换器，在该另一热交换器处，高品级热传递至第一高品级热吸收装置(例如客舱)。
模式C
使用环境空气捕获单元回收来自环境空气的低品级热能。低品级热被回收到包括多相流体(例如制冷剂)和热交换器(例如蒸发器、除湿器)的热环回路中。使用包括需要输入电能的压缩机的热泵将低品级热在热环回路中经由切断阀传递至蒸气压缩热力学循环，其中，低品级热能被提升为高品级能量。
然后，该高品级热在热交换器(例如，间接冷凝器)内传递至其中为单相流体(例如，冷却剂)的第三流体传递回路。然后，利用泵将该高品级热通过单相流体回路(例如冷却剂)输送至另一热交换器，在该另一热交换器处，该高品级热传递至第一高品级热吸收装置(例如客舱)。
模式D
来自电动车辆动力传动系的低品级热能传递至包括单相流体(例如，冷却剂)的第一流体传递回路。该流体(例如冷却剂)经由三通阀被引导至热交换器(例如蒸发器、除湿器)。低品级热在热交换器(例如，蒸发器、除湿器)内从单相流体(例如，冷却剂)交换到第二流体传递回路的多相流体(例如，制冷剂)。然后，使用包括需要输入电能的压缩机的热泵，经由蒸汽压缩热力学循环将热的品级从低提升为高。然后，从热泵(例如压缩机)输出的高品级热经由包括制冷剂流体的第二流体回路中的切断阀输送至热交换器(例如间接冷凝器)中。然后，该高品级热传递至第三流体传递回路，该第三流体传递回路包括在热交换器(例如间接冷凝器)内的单相流体(例如冷却剂)。然后，利用泵在第三流体传递回路中通过单相流体(例如，冷却剂)将该高品级热传递至另一热交换器。然后，通过利用泵的第三单相流体传递回路(例如，冷却剂)并且经由三通阀将该高品级热输送至与另一热交换器流体连通的又一热交换器。然后，热传递至该又一热交换器内的另一单相流体(例如，冷却剂)，并且经由与热交换器相关联的另一三通阀传递至第二高品级热吸收装置(例如，动力电池)。
在某些实施方式中，从不同的可切换低品级能源传递的热的调度是经由分别在图6和图7中示出的控制算法来完成的。
当在本文中提及时，“低品级热(low grade heat)”是低温处的能量/热，而“高品级热(high grade heat)”是高温处的能量/热。
当在本文中提及时，“热力学循环装置”包括热泵冷凝器、热交换器、冷凝器、蒸发器和除湿器中的一者或更多者。如本文中所提及的，“热力学循环系统”包括下述热力学循环系统：在该热力学循环系统中，在一系列热力学循环装置中进行的一系列热力学过程使系统返回至系统的初始热力学状态。
本文中所描述的任何一个或多个控制器可以适当地包括具有一个或更多个电子处理器的控制单元或计算设备。因此，该系统可以包括单个控制单元或电子控制器，或者替代性地，控制器的不同功能可以在不同的控制单元或控制器中体现或实施。如本文中所使用的，术语“控制器”或“控制单元”将被理解为既包括单个控制单元或控制器也包括共同操作以提供任何所述的控制功能的多个控制单元或控制器。为了配置控制器，可以提供适合的一组指令，该组指令在被执行时使所述控制单元或计算设备实现本文中指定的控制技术。该组指令可以适当地嵌入在所述一个或更多个电子处理器中。替代性地，该组指令可以被提供为保存在与所述控制器相关联的一个或更多个存储器上的软件，以在所述计算设备上被执行。第一控制器可以以在一个或更多个处理器上运行的软件的方式来实现。一个或更多个其他控制器可以以在一个或更多个处理器——可选地，与第一控制器相同的一个或更多个处理器——上运行的软件的方式来实现。也可以使用其他合适的布置。
在本申请的范围内，明确意指的是在前述段落、在权利要求和/或在以下的描述和附图中阐述的各个方面、实施方式、示例和替代方案、以及特别地是各个方面、实施方式、示例和替代方案的单独的特征可以被独立地采用或以任何组合的方式采用。也就是说，除非这些特征是不可兼容的，否则所有实施方式和/或任何实施方式的特征可以以任何方式和/或组合来组合。申请人保留更改任何原始提交的权利要求或相应地提交任何新的权利要求的权利，包括将任何原始提交的权利要求修改成从属于任何其他权利要求和/或并入任何其他权利要求的任何特征的权利，尽管最初并未以该方式要求权利。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例的方式对本发明的一个或更多个实施方式进行描述，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施方式的电动车辆热回收系统；
图2示出了图1的根据第一(A)操作模式的电动车辆热回收系统；
图3示出了图1的根据第二(B)操作模式的电动车辆热回收系统；
图4示出了图1的根据第三(C)操作模式的电动车辆热回收系统；
图5是图1的根据第四(D)操作模式的电动车辆热通量管理系统；
图6是流程图，其示出了根据能够运算成选择系统的第一操作模式、第二操作模式或第三操作模式的控制算法进行的从可切换热源传递至热吸收装置的热的调度和用于电动车辆热回收系统的模式选择；
图7是流程图，其示出了根据能够运算成选择系统的第四操作模式的控制算法进行的从可切换热源传递至多个热吸收装置的热的调度和用于电动车辆热回收系统的模式选择；以及
图8示出了包括本发明的热回收系统的电动车辆。
具体实施方式
在可能的情况下，始终使用相似的附图标记来表示类似的特征。
如图1中示出的，用于电动车辆(参见图8中的203)的热回收系统1包括热泵回路6，该热泵回路6热联接至三个流体传递系统2、4、8/10。在相应的回路内的操作期间按流体的流动路径指示部件。当在本文中使用时，“上游”和“下游”涉及下述方向：流体将沿该方向在回路中流动。
在图1中，冷却剂回路2包括低品级能量源、电动车辆动力传动系65，该电动车辆动力传动系65通过膨胀集液箱67和泵69流体连接至可切换三通阀73。温度传感器71监测动力传动系65的温度，并且因此，监测可从动力传动系65获得的低品级能量。流体连接至动力传动系65的热交换器217完成冷却剂回路。在操作中，当三通阀73将回路2中的冷却剂沿方向“B/C”引导至热交换器217时，低品级能量被热回收系统1的其余部分拒收。当三通阀73在回路2中沿方向“A/D”引导冷却剂时，冷却剂回路与制冷剂回路4和/或热泵回路6热连通。冷却剂回路2的部件通过流体管道63流体连接。
包含低品级热的冷却剂回路2与电动车辆的动力传动系65中的第一低品级热源热连通。与动力传动系65相关联的泵63能够操作成使冷却剂流体绕回路2移动，并且可切换三通阀73能够在第一位置中操作成将低品级能量排出至热交换器217，该热交换器217在冷却剂回路2中定位于动力传动系65的上游，并且可切换三通阀73能够在阀73的第二位置中操作成将冷却剂回路2流体连接至蒸发器或除湿器31和第二流体回路，该第二流体回路是制冷剂回路4。
能够操作成将进入热回收系统1的低品级热转换为高品级热的制冷剂流体回路4包括冷却剂回路2的蒸发器31的制冷剂侧、压缩机11以及压缩机11的下游的冷凝器49，压缩机11具有其自身的电输入“M”，冷凝器49热联接至第三流体回路，该第三流体回路是冷却剂回路8/10。切断阀47位于压缩机11与冷凝器49之间的制冷剂管线9a中，并且切断阀47能够操作成对制冷剂回路4中的制冷剂流进行控制。温度及压力传感器39监测进入压缩机11的制冷剂流体的温度和压力。传感器13测量离开压缩机11至阀47和制冷剂管线9a的制冷剂的温度和压力。制冷剂回路4从冷凝器49通过切断阀51继续至蒸发器31(通过相关联的膨胀阀29)、蒸发器131(通过相关联的膨胀阀129)中的一者或更多者。冷凝器49的制冷剂侧进一步流体联接至热环回路6。热环回路6热联接至第二低品级能量源，该第二低品级能量源是车辆(未示出)外部的环境空气19。热泵冷凝器17通过环境空气捕获单元19热联接至环境空气。热泵冷凝器17通过制冷剂管线(9b、9c、9d、9e、9f或9g、9h)流体联接至制冷剂回路4的压缩机11。制冷剂流在操作相关联的阀——所述相关联的阀为膨胀阀21、切断阀23、切断阀41和切断阀15——的控制器20的指示下被控制。
热环回路6还包括蒸发器/除湿器25，该蒸发器/除湿器25热联接至第二低品级能源，该第二低品级能源是车辆(未示出)外部的环境空气19。蒸发器/除湿器25通过环境空气捕获单元19热联接至环境空气。蒸发器/除湿器25通过制冷剂管线(9c、9d、9e)流体联接至制冷剂回路4的压缩机11并且经由相关联的切断阀51和23以及制冷剂管线9j从冷凝器49流体联接至制冷剂回路4。制冷剂流在操作相关联的阀的控制器20的指示下被控制。
系统1还包括第三流体传递回路，该第三流体传递回路是冷却剂回路8/10，冷却剂回路8/10包括制冷剂回路4的在压缩机11的下游的冷凝器49的冷却剂侧、泵55和热交换器57，泵55能够操作成使冷却剂流体绕回路8移动，热交换器57与第一高品级热吸收装置热连通，该第一高品级热吸收装置是客舱59。回路8中的冷却剂的温度由温度传感器53测量。冷却剂管线30a使热交换器57与三通阀61流体连接，在冷却剂回路8中，三通阀61使热交换器57与冷凝器49的回流冷却剂入口249流体连接。在冷却剂回路10中，三通阀61在控制器20的控制下切换至第二位置，在该第二位置中，热交换器57通过管线30a和管线30c与热交换器149流体连接。热交换器149进而通过管线30d流体连接至冷凝器49的入口249并且通过管线30e流体连接至另一三通阀161。三通阀161能够在第一位置中操作成将热交换器149通过管线30f流体连接至热交换器131(该热交换器的制冷剂侧可以经由相关联的膨胀阀129形成制冷剂回路4的一部分)的冷却剂侧并且通过管线30g和30j流体连接至第二高品级热吸收装置，该第二高品级热吸收装置是动力电池159。在阀161的第二位置中，阀161能够操作成经由管线30e和30h将热交换器149流体连接至热交换器151，热交换器151通过管线30j流体连接至为动力电池159的第二热吸收装置。三通阀61能够操作成在控制器20的指示下可切换，以根据需要将冷却剂回路8与客舱流体连接以及将冷却剂回路8和10与动力电池流体连接。
在某些实施方式中，冷却剂回路2、8、10和制冷剂回路4以及热泵回路6各自包括连接管线(例如，导管、管道)以将回路的部件流体连接。
控制器20能够操作成对回路2、4、6、8和10中的阀中的一个或更多个阀进行切换，以将低品级热源中的一个低品级热源与热循环系统1的压缩机11和回路2、4、6、8、10热连接，所述低品级热源是动力传动系65或环境空气捕获单元19内的环境空气。
可以是控制器、控制单元或诸如可编程CPU之类的模块的控制器20能够操作成使热回收系统在许多模式中的任何一种模式之间切换。在所描绘的实施方式中，示出了四种模式。控制器20可以是车辆中央管理系统处理器。
控制器20以可操作的方式连接至系统1和系统1的部件。为了清楚起见，未示出控制器20与系统1的部件之间的连接。
从电动车辆动力传动系65和外部环境空气(第二热源)19回收的低品级热能由以可操作的方式链接至系统1的部件的控制器20按可切换热源65、19的热力学熵的状态的顺序以可切换的方式调度。
图2描绘了其中来自电动车辆动力传动系65的低品级热能传递至冷却剂回路2的模式A。三通阀73在控制器20的指示下将冷却剂沿方向“A/D”引导至蒸发器、除湿器31。低品级热在蒸发器/除湿器31内从冷却剂交换给制冷剂系统4中的多相制冷剂。来自蒸发器/除湿器31的制冷剂通过温度及压力传感器33和切断阀341至蓄能器37。然后，利用需要输入电能“M”的压缩机11经由蒸汽压缩热力学循环将制冷剂中的热的品级从低提升为高。然后，从压缩机11输出的高品级热经由包括制冷剂流体的制冷剂回路4中的切断阀47输送至间接冷凝器49中。然后，该高品级热在间接冷凝器49内传递至冷却剂回路8。然后，利用泵55将该高品级热通过冷却剂输送至另一热交换器57，在该另一热交换器57处，高品级热传递至第一高品级热吸收装置(例如，客舱59)。
在操作模式A中，通过使控制器20关闭膨胀阀21、切断阀23、41和15而将包括热泵冷凝器17和蒸发器/除湿器25的热泵回路6与制冷剂回路4隔离，热泵冷凝器17和蒸发器/除湿器25热联接至热源19(环境空气)。冷却剂回路2通过阀73的操作联接至制冷剂回路4，以使回路2中的冷却剂与蒸发器31流体联接。此外，控制器20使三通阀61切换成通过制冷剂管线30b将热交换器57与间接冷凝器49流体联接。
图3示出了处于操作模式B的热回收系统1。在模式B中，来自环境空气的低品级热能被捕获在环境空气捕获单元19中。低品级热被回收到包括制冷剂和热泵冷凝器17的热环回路6中。利用需要输入电能“M”的压缩机11，低品级热在热环回路6中经由切断阀41输送至蒸汽压缩热力学循环，在此，低品级热能被提升为高品级能量。然后，该高品级热在制冷剂回路4中经由另一切断阀47输送至间接冷凝器49中。然后，该高品级热在间接冷凝器49内的冷却剂中传递至冷却剂回路8。利用泵55通过冷却剂将高品级热输送至另一热交换器57，在该另一热交换器57处，高品级热传递至第一高品级热吸收装置(例如客舱59)。温度及压力传感器53监测回路8中的冷却液的温度和压力。三通阀61在控制器20的指示下通过管线30b将冷却剂从热交换器57沿方向“A,B,C”引导至热交换器49。
在操作模式B中，通过使控制器20关闭切断阀23而将包括蒸发器/除湿器25的热泵回路6与制冷剂回路4隔离，蒸发器/除湿器25热联接至热源19(环境空气)。制冷剂通过阀51和膨胀阀21返回至热泵冷凝器，阀51和膨胀阀21中的两者均通过控制器20打开。切断阀15被关闭，从而防止制冷剂穿过切断阀15返回至热泵冷凝器，并且通过分别关闭相关联的阀29和129而使蒸发器31和131与制冷剂回路隔离。冷却剂回路2通过阀73的操作与制冷剂回路4隔离，以使动力传动系65与冷却剂回路2中的热交换器217流体联接。此外，控制器20将三通阀61切换成通过制冷剂管线30b将热交换器57与间接冷凝器49流体联接。
操作模式A和B可以在控制器20使与蒸发器31的制冷剂侧相关联的膨胀阀29和与热泵冷凝器17相关联的膨胀阀21两者均打开时同时地操作。此外，在组合的A/B操作模式中，三通阀73将冷却剂回路2与蒸发器31的冷却剂侧流体连接。
图4示出了处于操作模式C的热回收系统1。在模式C中，使用环境空气捕获单元19来回收来自环境空气的低品级热能。低品级热被回收至包括制冷剂和蒸发器/除湿器的热环回路6中。利用作为热泵的压缩机11，低品级热在热环回路6中经由切断阀341输送至蒸汽压缩热力学循环。压缩机11需要来自源“M”的输入电能。通过压缩机11将低品级热能提升为高品级能量。
然后，该高品级热在制冷剂回路4中经由另一切断阀47输送至间接冷凝器49中。然后，该高品级热在间接冷凝器49内通过管线9a传递至冷却剂回路8。然后，利用泵55通过冷却剂将该高品级热输送至另一热交换器57，在该另一热交换器57处，高品级热传递至第一高品级热吸收装置(例如客舱59)。温度及压力传感器53监测回路8中的冷却液的温度和压力。三通阀61在控制器20的指示下通过管线30b将冷却剂从热交换器57沿方向“A,B,C”引导至热交换器49。
控制器20可以通过打开阀23同时关闭热泵回路6中的膨胀阀21和切断阀41来在模式B与模式C之间切换。
通过分别关闭相关联的阀29和129而使蒸发器31和131与制冷剂回路4隔离。此外，在所描绘的实施方式中，冷却剂回路2通过阀73的操作而与制冷剂回路4隔离，以将动力传动系65与冷却剂回路2中的热交换器217流体联接。
蒸发器/除湿器25能够操作成从空气中移除水分，并且因此也移除水分中的潜热。在蒸发器/除湿器25内对环境空气除湿的过程使管线9c中的冷却剂温度升高，并且提供了从能量源19进入压缩机11的热的品级的预压缩机增加。
操作模式A和C可以在控制器20使与蒸发器31的制冷剂侧相关联的膨胀阀29和与蒸发器、除湿器25相关联的切断阀23两者同时打开时同时地操作。此外，在组合的A、C操作模式中，三通阀73将冷却剂回路2与蒸发器31的冷却剂侧流体连接。
可以通过操作阀21和41一起操作模式B和C。
图5示出了处于操作模式D的热回收系统1。在模式D中，像模式A和图2中一样，来自电动车辆动力传动系65的低品级热能传递至冷却剂回路2中的冷却剂。冷却剂从动力传动系65穿过膨胀集液箱67和泵69至温度传感器71。在三通阀73处，冷却剂流体被引导至蒸发器31。低品级热在蒸发器31内从冷却剂交换给制冷剂回路4中的制冷剂。然后，使用需要从源“M”输入电能的压缩机11，经由蒸汽压缩热力学循环将热的品级从低提升为高。然后，从压缩机11输出的高品级热经由切断阀47输送至间接冷凝器49中。然后，该高品级热在间接冷凝器49内传递至包括冷却剂的冷却剂回路8。利用泵55通过回路8中的冷却剂将该高品级热输送至另一热交换器57中。然后，该高品级热通过管线30a借助于冷却剂输送至三通阀61，其中，该高品级热被引导至与另一热交换器57流体连通的又一热交换器149。然后，热传递至包括热交换器149的冷却剂系统10内的冷却剂，并且热经由与蒸发器131相关联的另一三通阀161传递至第二高品级热吸收装置(例如，动力电池159)。在三通阀161的替代性位置中，三通阀161将冷却剂引导至热交换器151，并且引导至动力电池159和膨胀集液箱167上。
在模式D中，控制器20已经将热吸收装置从客舱59切换至动力电池159。通过热交换器49的冷却剂回路8是客舱59加热器回路，并且通过热交换器149的冷却剂回路10是电池加热器回路。冷却剂回路8和10在不同的温度下操作，其中，舱室加热器回路8中的温度通常高于通过电池加热器回路10的温度。例如，温度差可以约为50摄氏度至60摄氏度。在一个特定示例中，舱室加热器冷却剂回路8可以处于大约80摄氏度，并且电池冷却剂回路10可以在20摄氏度至30摄氏度之间。
在某些实施方式中，从不同的可切换低品级能源传递的热的调度是经由分别在图6和图7中示出的控制算法来完成的。控制算法是用于热回收系统的决策过程，并且控制器根据基于变化的车辆使用条件和环境条件的控制算法而操作，以使低品级热回收最大化。反过来，低品级热回收使舱室和动力传动系效率优化。低品级热回收的目的是增加电池电动车辆的车辆可行驶里程。
压缩机11的入口处的温度传感器39与冷却剂回路2中的温度传感器71相结合为控制器20提供温度读数。当传感器39与传感器71之间存在的温度差为至少5开尔文时，热回收系统1可以进入模式A或模式D。
压缩机11的入口处的温度传感器39与环境空气捕获单元19处的温度传感器T3相结合为控制器20提供温度读数。当传感器39与传感器T3之间存在的温度差为至少5开尔文时，热回收系统1可以进入模式B或模式C。
在操作中，如果在T3处感测到的温度为-15摄氏度或更低，则热泵冷凝器17变得不具操作性。由于对制冷剂而言吸入温度阈值为-20摄氏度且由于传感器39处的压缩机的输入与传感器T3处的热源19的输入之间的温度差不能达到5开尔文，因此控制器20能够操作成在这种情况下关闭模式B并采用模式A或模式D。
图6和图7示出了控制算法，控制算法被编程到控制器20中，以用于在模式A、B和C(图6)和模式D(图7)下进行从系统1中的不同热源传递的热的调度。系统1中的传感器33、39、53、43、71、T3、T7和T8(图1至图5)以可操作的方式链接至控制器20，以提供执行图6和图7中所示的控制算法所需的温度和压力信息。
图8示出了电动车辆150，图1的热回收系统1位于该电动车辆150中。车辆的中央管理系统(未示出)电连接至系统1的控制器20，该中央管理系统以可操作的方式链接至控制器20。
在本说明书的整个说明书和权利要求书中，词语“包括”和“包含”及其变体表示“包括但不限于”，并且它们并不意在(并且不)排除其他部分、添加剂、组分、整体或步骤。在本说明书的整个说明书和权利要求书中，单数形式包括复数形式，除非上下文另有要求。尤其是，在使用不定冠词的情况下，除非上下文另外要求，否则本说明书应理解为涵盖复数以及单数。
将理解的是，本发明的实施方式可以以硬件、软件或者硬件和软件的组合的形式来实现。任何这样的软件可以以易失性或非易失性存储器——比如说例如像ROM之类的存储设备，无论是否为可擦写的或可重写的——的形式存储，或者以内存比如说例如RAM、内存芯片、设备或集成电路的形式存储，或者存储在光学或磁性可读介质比如说例如CD、DVD、磁盘或磁带上。将理解的是，存储设备和存储介质是适合于存储当被执行时实现本发明的实施方式的一个或多个程序的机器可读存储器的实施方式。相应地，实施方式提供了一种程序和存储这种程序的机器可读存储器，该程序包括用于实现根据任一前述权利要求所要求保护的系统或方法的代码。此外，本发明的实施方式可以经由任何介质比如承载在有线或无线连接上的通信信号而被电传送，并且实施方式适当地涵盖这些。
本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)和/或因此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以除了这些特征和/或步骤中的至少一些特征和/或步骤相互排斥的情况下的组合之外的任何组合进行组合。
除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的每个特征可以由用于相同、等效或相似目的的替代性特征代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是通用系列的等效或类似特征的一个示例。
本发明不受限于任何前述实施方式的细节。本发明扩展至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的特征中的任何一个新颖特征或特征的任何新颖组合，或者扩展至因此公开的任何方法或过程的步骤中的任何一个新颖步骤或步骤的任何新颖组合。权利要求不应被解释为仅涵盖前述实施方式，而是还涵盖落入权利要求的范围内的任何实施方式。

Claims (14)

1.一种用于电动车辆的热回收系统，所述热回收系统包括：第一可切换热源和第二可切换热源以及控制装置，所述控制装置能够操作成选择性地将其中一个所述热源切换成与热力学循环系统中的压缩机热连通，所述热力学循环系统与热吸收装置热连通；以及检测装置，所述检测装置能够操作成检测每个所述可切换热源与进入所述压缩机的流体之间的温度差；
其中，所述控制装置能够操作成当在进入所述热力学循环系统中的所述压缩机的所述流体与所述第一可切换热源和所述第二可切换热源中的一者之间检测到一温度差时将该可切换热源切换成与所述热力学循环系统热连通，所述压缩机能够操作成在所述压缩机操作时将来自该可切换热源的低品级热提升为较高品级热。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一可切换热源和所述第二可切换热源各自与所述热力学循环系统内的流体热连通，并且所述控制装置能够操作成致动至少一个控制阀，所述至少一个控制阀能够操作成选择性地将与其中一个所述可切换热源热连通的流体切换成与所述热力学循环系统中的所述压缩机热连通，其中，所述控制装置能够操作成当在进入所述热力学循环系统中的所述压缩机的流体与所述第一可切换热源和所述第二可切换热源中的一者之间检测到一温度差时致动所述至少一个控制阀，以将该可切换热源切换成与所述热力学循环系统热连通，所述温度差使得所述压缩机能够操作成在所述压缩机操作时将来自该可切换热源的低品级热提升为较高品级热。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述温度差为至少5开尔文。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述第一可切换热源或所述第二可切换热源处的温度高于进入所述压缩机的流体的温度。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述检测装置配置成依次监测所述第一可切换热源与进入所述压缩机的流体之间的温度差以及所述第二可切换热源与进入所述压缩机的流体之间的温度差。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制装置以可操作的方式链接至所述检测装置，并且所述控制装置能够操作成响应于所述检测装置检测到所述第一可切换热源与所述热力学循环系统以及所述第二可切换热源与所述热力学循环系统中的至少一者之间的温度差而致动所述至少一个控制阀，使得将其中一个所述热源切换成与所述热力学循环系统热连通。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述检测装置包括一个或更多个温度传感器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热力学循环系统包括：第一单相流体系统，所述第一单相流体系统包括至少一个热交换器；多相流体系统，所述多相流体系统与所述至少一个热交换器流体连通并且包括位于所述热交换器的下游的所述压缩机；以及第二单相流体系统，所述第二单相流体系统位于所述压缩机的下游并且包括至少一个热交换器，所述第一单相流体系统、所述多相流体系统和所述第二单相流体系统相继地彼此热连通，可选地，其中，所述热力学循环系统包括：冷却剂系统，所述冷却剂系统包括至少一个热交换器；制冷剂系统，所述制冷剂系统与所述至少一个热交换器流体连通并且包括位于所述热交换器的下游的所述压缩机；以及第二冷却剂系统，所述第二冷却剂系统位于所述压缩机的下游并且包括至少一个热交换器，所述冷却剂系统和所述制冷剂系统相继地彼此热连通。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热力学循环系统包括：环境空气捕获单元系统，所述环境空气捕获单元系统包括至少一个热交换器；制冷剂系统，所述制冷剂系统与所述至少一个热交换器流体连通并且包括位于所述热交换器的下游的所述压缩机；以及冷却剂系统，所述冷却剂系统位于所述压缩机的下游并且包括至少一个热交换器，所述冷却剂系统和所述制冷剂系统相继地彼此热连通，可选地，其中，所述环境空气捕获单元系统包括作为冷凝器的至少一个热交换器，或者其中，所述环境空气捕获单元系统包括作为蒸发器或除湿器的至少一个热交换器。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的系统，其中，所述第二单相流体系统或所述冷却剂系统包括与所述热吸收装置热连通的至少一个热交换器。
11.根据权利要求8或权利要求9所述的系统，其中，所述第二单相流体系统或所述冷却剂系统包括至少一个阀，所述至少一个阀能够控制成将单相流体流切换到与第二热吸收装置热连通的热交换器，可选地，其中，所述第二热吸收装置是动力电池，并且可选地，其中，与所述第二热吸收装置热连通的所述热交换器与所述第一热吸收装置进一步热连通。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热吸收装置是客舱和动力电池中的一者。
13.一种车辆，所述车辆包括发动机和根据权利要求1所述的热回收系统，其中，所述热吸收装置是客舱和动力电池中的一者或更多者。
14.一种在电动车辆中回收低品级热能的方法，所述方法包括：
提供第一可切换低品级热源和第二可切换低品级热源；
提供热力学循环系统，所述热力学循环系统包括分别与所述第一可切换低品级热源和所述第二可切换低品级热源中的每一者热连通的第一流体和第二流体；
检测进入所述热力学循环系统中的压缩机的流体与能够从所述第一可切换热源和所述第二可切换热源获得的热之间的温度差；
当所述温度差使得所述热力学循环系统中的压缩机能够操作成在所述压缩机操作时将来自其中一个所述可切换热源的低品级热提升为较高品级热时，将与该可切换热源热连通的所述第一流体或所述第二流体切换成与所述压缩机热连通；
将所述较高品级热传递至热吸收装置。
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