CN113258161B - 用于机动车辆的能量系统的温度管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车辆的能量系统的温度管理系统，包括这种温度管理系统的机动车辆和用于机动车辆的能量系统的温度管理方法。所述温度管理系统包括能量存储系统、导热元件和环境界面。所述环境界面包括指向所述能量系统的环境的第一表面和与所述第一表面相反的第二表面。所述导热元件设置在环境界面的第二表面与能量存储系统之间。所述导热元件可在隔热模式和导热模式之间切换。所述导热元件在隔热模式中提供第一导热率，在导热模式中提供第二导热率。第一导热率低于第二导热率。所述导热元件包括电压敏感材料。所述电压敏感材料可根据所施加的电压在第一导热率和第二导热率之间切换。电压敏感材料包括压电材料。

Description

用于机动车辆的能量系统的温度管理系统
技术领域
本发明涉及一种用于机动车辆的能量系统的温度管理系统、一种包括这种温度管理系统的机动车辆、和用于机动车辆的能量系统的温度管理方法。
背景技术
机动车辆和特别是电动车辆与混合动力车辆设有大且贵的电池。这些电池的寿命和功率对于电动车辆或混合动力车辆的可行驶里程和数值而言是本身存在的。
然而，电池对温度变化敏感并且在相当小的温度范围内工作为最佳。相比之下，机动车辆在例如-30℃和60℃之间的大范围温度中使用。由于来自常规发动机的高废热，靠近常规发动机的电池甚至可能经受更高的温度。
结果，在机动车辆中使用的电池发生的温度变化和极端情况使得电池的寿命和功率降低。特别地，电池的功率对于机动车辆的可行驶里程而言是重要的，并且不应当降低。
存在用于电池或能量系统的温度管理系统，但它们需要进一步改进。例如，DE10319350B4公开了一种具有坚固的壳体和盖的电池箱，其具有用于真空绝缘的双壁结构。
发明内容
因此，需要提供一种用于机动车辆的能量系统的改进的温度管理系统，其对能量系统提供免受温度变化的更好保护。
该问题由本发明的主题来解决。应当注意，下面描述的本公开的各方面适用于机动车辆的能量系统的温度管理系统、包括这种温度管理系统的机动车辆、和机动车辆的能量系统的温度管理方法。
根据本公开，提供了一种用于机动车辆的能量系统的温度管理系统。所述温度管理系统包括能量存储系统、导热元件和环境界面(ambient interface)。
所述环境界面包括指向所述能量系统的环境的第一表面和与所述第一表面相反的第二表面。
所述导热元件布置在所述环境界面的第二表面与所述能量存储系统之间。所述导热元件可在隔热模式与导热模式之间切换。
所述导热元件在所述隔热模式中提供第一导热率。所述导热元件在所述导热模式中提供第二导热率。所述第一导热率低于所述第二导热率。
所述导热元件包括电压敏感材料。所述电压敏感材料可根据所施加的电压而在第一导热率和第二导热率之间切换。所述电压敏感材料包括压电材料。
根据本公开的温度管理系统可以理解为保护能量存储系统(例如，电池)免受温度变化和温度极值。所述温度管理系统可以将所述能量存储系统保持在对于能量存储系统和/或机动车辆的工作而言最佳的温度范围内。因此，根据本公开的温度管理系统可以理解为增加能量存储系统的容量和/或寿命。通过保护能量存储系统，可以实现机动车辆的提高的能量效率、降低的热损失和/或更远的行驶里程。此外，能量系统的重量和/或体积没有增加，因而机动车辆的重量和/或体积没有增加。
所述能量存储系统可以理解为被配置用于存储能量的系统。它可以是电池、可再充电电池、包括若干电池的模块等。所述能量存储系统可用于为机动车辆供电和驱动机动车辆和/或作为辅助单元为附件提供能量。
所述环境界面可以理解为在一侧面向所述能量系统的周围或环境的元件或层，在另一侧指向能量系统(例如电池)。所述环境界面可以理解为配置成支持或保持能量存储系统的元件。它可以是电池托盘等。
所述导热元件可以理解为布置在所述能量存储系统(例如，电池)与所述环境界面(例如，电池托盘)之间的元件或层。所述导热元件可以具有不同的状态或模式。所述导热元件包括压电材料，该压电材料是电压敏感材料。可以理解，所述导热元件的导热率可以根据施加到导热元件的电压而改变。因此，所述导热元件可在第一导热率与第二导热率之间切换。所述第一导热率与所述第二导热率不同并且低于所述第二导热率。所述第一导热率使所述导热元件处于所述隔热模式中，并且更高的所述第二导热率使所述导热元件处于所述导热模式中。所述导热元件的导热率在所述导热模式中比在所述隔热模式中高。
所述温度管理系统可以理解为保护所述能量存储系统免受温度变化。温度变化可以通过包括机动车辆的模式和环境条件的组中的至少一个产生。换言之，所述温度管理系统可以平衡以下情况中的至少一个：
当机动车辆行驶时，所述导热元件可用于减少或消除通过例如机动车辆的发动机或机动车辆的其它消耗单元的过多或过热的废热导致的能量存储系统的不期望的温度升高。所述导热元件则可以被切换到具有第二导热率的导热模式，以提供与通常比发动机更冷的环境进行热传递和与热交换。在一个实施例中，所述导热元件因此可在机动车辆处于行驶模式时切换到导热模式。结果，当机动车辆正在行驶时，能量存储系统的加热减少。因此，可以提高能量存储系统的能量效率，并且可以实现更远里程的机动车辆。
当机动车辆停车时，导热元件可用于减少或消除因例如缺少发动机或其它消耗单元的废热而导致的能量存储系统的不期望的温度损失。所述导热元件则可以被切换到具有第一导热率的隔热模式中，以减少或消除与通常比能量存储系统的良好工作温度(其可以是大约30摄氏度)更冷的环境进行热传递和热交换。在一个实施例中，所述导热元件因此可在机动车辆处于停车模式时切换到隔热模式。结果，当机动车辆不是正在行驶，而是停车时，能量存储系统相对于周围环境(例如约20摄氏度)保持温暖。因此，可以提高能量存储系统的能量效率，并且可以实现更远里程的机动车辆。
在冷环境中，所述导热元件可用于减少或消除因冷环境和因此冷的环境界面(例如，电池托盘)而导致的能量存储系统的不期望的温度损失。“冷环境”可以理解为低于0摄氏度，优选地低于-10摄氏度和更低，更优选地低于-15摄氏度和更低。所述导热元件则可以被切换到具有第一导热率的隔热模式中，以减少或消除与现在肯定比能量存储系统的工作温度更低的环境进行热传递和热交换。在一个实施例中，所述导热元件因此可在机动车辆处于冷环境中时切换到隔热模式。结果，所述能量存储系统与环境界面隔离，以避免通到周围环境的热桥。所述能量存储系统相对于冷的周围环境保持温暖。因此，可以提高能量存储系统的能量效率，并且可以实现更远里程的机动车辆。
在非常热的环境中，所述导热元件可用于减少或消除因非常热的环境和因此非常热的环境界面(例如，电池托盘)而导致的能量存储系统的不期望的温度升高。在非常热的环境中和/或在将机动车辆停放在太阳下时可能发生“非常热的环境”。“非常热的环境”可以理解为高于40摄氏度，优选高于50摄氏度，更优选高于60摄氏度。所述导热元件然后可以被切换到具有第一导热率的隔热模式中，以减少或消除与现在比能量存储系统的良好工作温度(其可以是大约30摄氏度)更热的环境进行热传递和热交换。在一个实施例中，所述导热元件因此可在机动车辆处于非常热的环境中时切换到隔热模式。结果，所述能量存储系统与环境界面隔离，以避免通到周围环境的热桥。所述能量存储系统相对于非常热的周围环境保持凉爽。因此，可以提高能量存储系统的能量效率，并且可以实现更远里程的机动车辆。
当然，所述温度管理系统还可以平衡上面所列举情形(例如在冷或非常热环境中停车)的组合。
在一个实施例中，所述温度管理系统包括控制单元，所述控制单元被配置为检测机动车辆何时处于停车模式或行驶模式。所述控制单元还可被配置为将所述导热元件相应地切换到隔热模式或导热模式。所述控制单元可以是处理器。所述停车模式或行驶模式可以基于监测机动车辆的发动机、轮胎、点火、点火钥匙、位置数据、加速度数据等进行检测。
在一个实施例中，所述温度管理系统包括温度单元，所述温度单元被配置为检测机动车辆外部的外部温度。所述温度单元进一步被配置为基于外部温度将所述导热元件切换到所述隔热模式或所述导热模式中。此外，所述控制单元可被配置为从所述温度单元接收外部温度数据并且基于外部温度将所述导热元件切换到所述隔热模式或导热模式。
在一个实施例中，所述温度单元被配置为检测所述能量存储系统的内部温度。所述温度单元接着进一步被配置为基于所述内部温度将所述导热元件切换到所述隔热模式或所述导热模式。所述控制单元还可被配置为从所述温度单元接收内部温度数据并且基于内部温度将所述导热元件切换到所述隔热模式或导热模式。
在一个实施例中，所述压电材料是陶瓷钙钛矿材料。在一个实施例中，所述压电材料是锆钛酸铅。
在一个实施例中，所述导热元件是双状态元件。术语“双状态元件”可以理解为，双状态元件仅具有第一导热率或第二导热率。不存在其它状态、导热率或可能性。
在一个实施例中，所述温度管理系统不需要也不包括任何附加的冷却系统，例如被动或主动冷却板。由此，节省甚至更多的能量。
在另一实施例中，所述温度管理系统还包括冷却系统。所述冷却系统设置在所述能量存储系统与所述导热元件之间。所述冷却系统可以冷却所述能量存储系统(例如电池)以避免温度升高到高于最佳工作温度。在一个实施例中，所述冷却系统是被动冷却系统。该被动冷却系统具有良好的能量效率。在另一个实施例中，所述冷却系统是主动冷却系统。所述主动冷却系统具有更大的能量。
在一个实施例中，所述温度管理系统还包括热界面。所述热界面是布置在所述能量存储系统与所述冷却系统之间的元件或层。
在一个实施例中，所述温度管理系统不需要也不包括任何附加的加热系统，例如被动或主动加热板。由此，节省甚至更多的能量。
在另一个实施例中，所述温度管理系统还包括加热系统。所述加热系统设置在所述储能系统与所述导热元件之间。所述加热系统可以加热所述能量存储系统以避免温度降低到低于最佳工作温度。
在一个实施例中，所述导热元件包括对于导热模式可填充导热材料和对于隔热模式保持不填充导热材料的腔。所述导热材料优选为固体(例如，作为粒料、球等)而不是液体。
在另一实施例中，所述导热元件包括对于隔热模式可填充隔热材料且对于导热模式保持不填充隔热材料的腔。所述隔热材料优选为固体(例如，作为粒料、球等)而不是液体。
根据本公开，还提供了一种包括上述温度管理系统的机动车辆。所述机动车辆包括如上所述的温度管理系统。所述温度管理系统被配置为或能够控制机动车辆的能量存储系统的温度。
所述机动车辆可以是电动车辆、混合动力车辆或常规机动车辆。
根据本公开，还提供了一种用于机动车辆的能量系统的温度管理方法。所述温度管理方法包括以下步骤：
-提供一种用于机动车辆的能量系统的温度管理系统，其中所述温度管理系统包括能量存储系统、导热元件和环境界面。所述环境界面包括指向所述能量系统的环境的第一表面和与所述第一表面相反的第二表面。所述导热元件设置在所述环境界面的第二表面与能量存储系统之间。
-向所述导热元件施加电压。所述导热元件包括电压敏感材料。所述电压敏感材料包括压电材料，使得所述导热元件在隔热模式与导热模式之间切换。所述导热元件在隔热模式中提供第一导热率并在导热模式中提供第二导热率，其中所述第一导热率低于所述第二导热率。
根据本公开的温度管理方法可以理解为保护能量存储系统(例如，电池)免受温度变化。所述温度管理方法可以将所述能量存储系统保持在一温度范围内，该温度范围对于所述能量存储系统和/或机动车辆的工作是最佳的。因此，根据本公开的温度管理方法可以理解为增加能量存储系统的容量和/或寿命。通过保护能量存储系统，可以实现机动车辆的提高的能量效率、降低的热损失和/或更远的里程。
在一个实施例中，所述温度管理方法还包括以下步骤：
-检测所述机动车辆是否处于停车模式，如果是，则施加所述电压以将所述导热元件切换为所述隔热模式。
在所述隔热模式中，所述导热元件则可以使所述能量存储系统相对于周围环境保持温暖。因此，在机动车辆不在行驶而是在停车时，所述能量存储系统相对于周围环境(约例如20摄氏度)保持温暖。因此，可以提高能量存储系统的能量效率，并且可以实现更远里程的机动车辆。
在一个实施例中，所述温度管理方法还包括以下步骤：
-检测所述机动车辆是否处于行驶模式，如果是，则施加所述电压以将所述导热元件切换为所述导热模式。
在所述导热模式中，所述导热元件可以减少能量存储系统的加热。结果，当机动车辆正在行驶时，能量存储系统的加热减少。因此，可以提高能量存储系统的能量效率，并且可以实现更远里程的机动车辆。
应当理解的是，根据本发明的系统、机动车辆和方法具有类似和/或相同的优选实施例。应当进一步理解的是，本公开的优选实施例也可以是上述各种情况的任何组合。
本公开的这些和其他方面从下面描述的实施例将变得显而易见并且参考下面描述的实施例进行了阐明。
附图说明
下面将参照附图对本发明的示例性实施例进行描述。
图1示意性地且示例性地显示了根据本公开的用于机动车辆的能量系统的温度管理系统的一个实施例。
图2示意性地且示例性地显示了根据本公开的用于机动车辆的能量系统的温度管理系统的一个实施例。
图3示意性地且示例性地显示了根据本公开的用于机动车辆的能量系统的温度管理系统的一个实施例。
图4示意性地且示例性地显示了根据本公开的机动车辆的能量系统的温度管理方法的一个实施例。
具体实施方式
图1至3示意性地且示例性地显示了用于机动车辆的能量系统的温度管理系统10的实施例。温度管理系统10包括能量存储系统11、导热元件12和环境界面13。
能量存储系统11在这里是电池，其可用于向机动车辆供电和驱动机动车辆，和/或作为向附件提供能量的辅助单元。
环境界面13在这里是用于支持或保持能量存储系统11的电池托盘。环境界面13包括指向能量系统的环境的第一表面和与第一表面相反的第二表面。
导热元件12是布置在能量存储系统11(电池)与环境界面13(电池托盘)之间的元件或层。特别地，导热元件12布置在环境界面13的第二表面与能量存储系统11之间。
导热元件12可在隔热模式与导热模式之间切换。导热元件12在隔热模式中提供第一导热率。导热元件12在导热模式中提供第二导热率。第一导热率低于第二导热率。导热元件12是双状态元件，其可仅具有第一导热率或第二导热率。
导热元件12包括电压敏感材料。电压敏感材料根据所施加的电压可在第一导热率和第二导热率之间切换。电压敏感材料包括压电材料，例如，诸如锆钛酸铅(leadzirconate titanate)的陶瓷钙钛矿材料(ceramic perovskite material)。
温度管理系统10还包括冷却系统14，冷却系统14是设置在能量存储系统11与导热元件12之间的被动冷却板。如果必要，冷却系统14冷却能量存储系统11以避免温度升高到高于最佳工作温度。
温度管理系统10还包括热界面15，其是布置在能量存储系统11与冷却系统14之间的元件或层。
温度管理系统10可以理解为保护能量存储系统11免受温度变化。温度变化可以通过机动车辆的不同模式和/或不同的环境条件而产生。换言之，温度管理系统10可以平衡以下情况中的至少一个：
图1示出了用于处于行驶模式的机动车辆的能量系统的温度管理系统10。当机动车辆行驶时，导热元件12用于降低或消除因机动车辆的发动机或机动车辆的其它消耗单元的过多或过热的废热而导致的能量存储系统11的不期望的温度升高。
导热元件12被切换到具有第二导热率的导热模式中以提供与通常比发动机更冷的环境进行热传递和热交换。因此，当机动车辆正在行驶时，能量存储系统11的加热减少。
图2示出了用于处于停车模式的机动车辆的能量系统的温度管理系统10。当机动车辆停车时，导热元件12用于减少或消除因缺失发动机或其它消耗单元的废热而导致的能量存储系统11的不希望的温度损失。导热元件12被切换到具有第一导热率的隔热模式中，以减少或消除与通常比能量存储系统11的良好工作温度更低的环境进行热传递和热交换。能量存储系统11的良好工作温度可以是大约30摄氏度。因此，当机动车辆不行驶时，能量存储系统11相对于约20摄氏度的周围环境保持温暖。
图3示出了用于处于冷环境中的机动车辆的能量系统的温度管理系统10。“冷环境(cold environment)”可理解为低于0摄氏度、低于-10摄氏度和更低、或低于-15摄氏度和更低。在冷环境中，导热元件12用于减少或消除因冷环境和因此冷的环境界面13(电池托盘)而导致的能量存储系统11的不期望的温度损失。导热元件12被切换到具有第一导热率的隔热模式中，以减少或消除与现在肯定比能量存储系统11的工作温度更低的环境进行热传递和热交换。结果，能量存储系统11与环境界面13隔离，以避免通到周围环境的热桥。能量存储系统11相对于冷的周围环境保持温暖。
未示出但可获得使用检测机动车辆何时处于停车模式或行驶模式的控制单元。控制单元还接收环境的外部和/或内部温度数据。控制单元可进一步将导热元件12相应地切换至隔热模式或导热模式。
图4示出了用于机动车辆的能量系统的温度管理方法。该温度管理方法包括以下步骤：
S1.提供用于机动车辆的能量系统的温度管理系统10，其中温度管理系统10包括能量存储系统11、导热元件12、和环境界面13。该环境界面13包括指向能量系统的环境的第一表面和与第一表面相反的第二表面。导热元件12布置在环境界面13的第二表面与能量存储系统11之间。
S2.向导热元件12施加电压。导热元件12包括电压敏感材料。电压敏感材料包括压电材料，使得导热元件12在隔热模式与导热模式之间切换。导热元件12在隔热模式中提供第一导热率和在导热模式中提供第二导热率，其中所述第一导热率低于第二导热率。
温度管理方法还包括可选步骤：
S3.检测所述机动车辆是否处于停车模式，如果是，则施加电压以将导热元件12切换到隔热模式。
在隔热模式中，当机动车辆停车时，导热元件12使能量存储系统11相对于周围环境保持温暖。
S4.检测所述机动车辆是否处于行驶模式，如果是，则施加电压以将导热元件12切换到导热模式。
在导热模式中，当机动车辆行驶时，导热元件12降低了能量存储系统11的加热。
需要注意的是，参照不同主题描述了本公开的实施例。特别地，一些实施例是参照方法类型的权利要求进行描述的，而其他实施例是参考产品类型的权利要求来描述的。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中获悉，除非另外通知，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间的任何组合也被认为是与本申请一起公开的。然而，可以组合所有特征，从而提供超出特征的简单加和的协同效果。
虽然已经在附图和上述说明中详细地例示和描述了本公开，这些说明和描述应被认为是说明性的或示例性的而非限制性的。本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、本公开和从属权利要求，实施所要保护的公开的本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定词“一个”或“一种”不排除多个或多种。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中重新引用的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中再次引用某些措施的事实并不指示不能利用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (11)

1.一种用于机动车辆的能量系统的温度管理系统(10)，包括：
-能量存储系统(11)，
-导热元件(12)，和
-环境界面(13)，
其中，所述环境界面(13)包括指向所述能量系统的环境的第一表面和与所述第一表面相反的第二表面，
其中，所述导热元件(12)布置在所述环境界面(13)的第二表面与所述能量存储系统(11)之间，
其中，所述导热元件(12)能在隔热模式与导热模式之间切换，其中，所述导热元件(12)在所述隔热模式中提供第一导热率，其中，所述导热元件(12)在所述导热模式中提供第二导热率，并且其中，所述第一导热率低于所述第二导热率，
其中，所述导热元件(12)包括电压敏感材料，所述电压敏感材料能根据所施加的电压在所述第一导热率与所述第二导热率之间切换，并且其中，所述电压敏感材料包括压电材料，其中，在所述机动车辆处于停车模式时，所述导热元件(12)切换到所述隔热模式以保持所述能量存储系统(11)温暖，其中，在所述机动车辆处于行驶模式时，所述导热元件(12)切换到所述导热模式以减少所述能量存储系统(11)的加热。
2.根据权利要求1所述的温度管理系统(10)，还包括控制单元，所述控制单元被配置为检测所述机动车辆何时处于所述停车模式或所述行驶模式并且将所述导热元件(12)相应地切换到所述隔热模式或所述导热模式。
3.根据权利要求1或2所述的温度管理系统(10)，还包括温度单元，所述温度单元被配置为检测所述机动车辆外部的外部温度，并且基于所述外部温度将所述导热元件(12)切换为所述隔热模式或所述导热模式。
4.根据权利要求1或2所述的温度管理系统(10)，其中所述压电材料是陶瓷钙钛矿材料。
5.如权利要求1或2所述的温度管理系统(10)，其中，所述压电材料是锆钛酸铅。
6.根据权利要求1或2所述的温度管理系统(10)，其中，所述导热元件(12)是双状态元件，其仅具有所述第一导热率或所述第二导热率。
7.根据权利要求1或2所述的温度管理系统(10)，还包括冷却系统(14)，所述冷却系统(14)布置在所述能量存储系统(11)与所述导热元件(12)之间。
8.根据权利要求7所述的温度管理系统(10)，其中，所述冷却系统(14)是被动冷却系统。
9.根据权利要求1或2所述的温度管理系统(10)，还包括热界面(15)，所述热界面(15)布置在所述能量存储系统(11)与冷却系统(14)之间。
10.一种包括根据前述权利要求之一所述的温度管理系统(10)的机动车辆，其中所述温度管理系统(10)被配置为控制所述机动车辆的能量存储系统(11)的温度。
11.一种用于机动车辆的能量系统的温度管理方法，包括以下步骤：
-提供用于机动车辆的能量系统的温度管理系统(10)，其中，所述温度管理系统(10)包括能量存储系统(11)、导热元件(12)和环境界面(13)，其中，所述环境界面(13)包括指向所述能量系统的环境的第一表面和与所述第一表面相反的第二表面，并且其中，所述导热元件(12)布置在所述环境界面(13)的所述第二表面与所述能量存储系统(11)之间，以及
-向所述导热元件(12)施加电压，其中，所述导热元件(12)包括电压敏感材料，并且其中，所述电压敏感材料包括压电材料，使得所述导热元件(12)在隔热模式和导热模式之间切换，
其中，所述导热元件(12)在所述隔热模式中提供第一导热率并且在所述导热模式中提供第二导热率，并且其中，所述第一导热率低于所述第二导热率，并且
所述温度管理方法还包括以下步骤：
检测所述机动车辆是否处于停车模式，如果是，则施加电压以将所述导热元件(12)切换为所述隔热模式以保持所述能量存储系统(11)温暖；以及
检测所述机动车辆是否处于行驶模式，如果是，则施加电压以将所述导热元件(12)切换为所述导热模式以减少所述能量存储系统(11)的加热。
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