CN114206651A - 热管理系统以及车辆 - Google Patents

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M·迪灵格尔
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Abstract

本发明涉及一种用于车辆的热管理系统，该车辆具有待调温的电池(7)和待调温的电动机(13、13’、27)，其中，所述电动机(13、13’、27)至少是油冷却的。所述热管理系统具有用于监控在包括电动机(13、13’、27)的油冷却回路(5)中借助于油泵(23)产生的油流的监控系统。所述监控系统具有在油冷却回路的第一位置上的第一压力传感器(21)和在油冷却回路(5)的第二位置上的第二压力传感器(22)，和/或配属于油泵(23)的转速传感器(22’)。此外提出一种具有这种热管理系统的车辆。

Description

热管理系统以及车辆
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的热管理系统。本发明还涉及一种具有这种热管理系统的车辆。
背景技术
车辆在此可以理解为任何类型的车辆，其包括用于驱动车辆的待调温的电池以及待调温的电动机或电机(E-Motor)。在此，电池可以是空气冷却的和/或冷却剂或冷却液冷却的或水冷却的。相反，电动机在此可以或者是仅油冷却的，或者是既可以冷却剂或冷却液或水冷却的，也可以是油冷却的。在此，其可以是部分电动的或全电动的车辆，但尤其是轿车和/或商用车。
由EP 2392486 B1公知了一种热管理系统，该热管理系统具有用于调节电池温度的第一冷却剂回路和用于调节电动机和功率电子装置温度的第二冷却剂回路。
发明内容
本发明所基于的目的是，改进这样的热管理系统。
该目的通过根据权利要求1提出保护的热管理系统来实现。本发明的有利实施方式是从属权利要求的主题。
本发明涉及一种用于车辆的热管理系统，该车辆具有用于驱动车辆的待调温的电池和待调温的电动机或电机，其中，电动机至少是油冷却的。
在此，热管理系统具有用于监控在包括电动机的油冷却回路中借助于油泵产生的油流的监控系统。
监控系统在此具有在油冷却回路的第一位置上的第一压力传感器和在油冷却回路的第二位置上的第二压力传感器，并且附加地，或替代于这两个压力传感器之一，还具有配属于油泵的转速传感器，通过该转速传感器可确定所输送的体积流量和质量流量。
通过所提出的传感器冗余，能够确定所检测到的压力或者说压力测量值以及所确定的体积流量和质量流量的可信度或者说检查可信度。
在一个实施例中，电动机仅仅是油冷却的。在此，油冷却回路通过例如呈板式热交换器形式的热交换器热连接到冷却剂回路上，该冷却剂回路例如可以包括电动机的功率电子装置以及电池充电装置。
在另一实施例中，电动机的定子被包括在冷却剂回路中，并且因此被冷却液冷却，而电动机的转子被包括在油冷却回路中，并且因此被油冷却。油冷却回路在此通过例如板式热交换器形式的热交换器热连接到冷却剂回路上。
在此，除冷却液外，油还通过如下方式冷却电动机，即，通过吸收定子和转子的热量并且经由热交换器输送给电动机冷却剂回路。在此，油同时润滑转子轴的轴承部位。
在另一实施例中，第一压力传感器和第二压力传感器位于热交换器的上游和油泵的下游。
在另一实施方式中，热交换器在流体方面与冷却液冷却的定子并联地布置。在此，第一输入管路可从冷却剂回路的在定子上游的节点延伸至热交换器，并且第二输入管路可从热交换器延伸至冷却剂回路的在定子下游的节点。
在另一实施例中，热管理系统包括用于驱动车辆的电池的第一冷却剂回路和用于驱动车辆的电动机的第二冷却剂回路。
在此，这两个冷却剂回路可借助于多通阀在系统的第一模式中和在多通阀的第一阀位置中彼此串联地运行或者在系统的第二模式中并且在多通阀的第二阀位置中彼此并联地运行。
在此，两个冷却剂回路备选地也可在系统的第三模式中并且在多通阀的第三阀位置中运行，在该第三阀位置中，多通阀占据中间位置，在该中间位置中，两个冷却剂回路的冷却剂流根据需要彼此混合。
在这种根据需要的混合中，电动机冷却剂回路的废热或者损耗热有利地可输出至电池冷却剂回路，而在此不会使系统经历突变的过渡行为，该突变的过渡行为本身在串联连接模式与并联连接模式之间切换时出现并且表现为突变的温度变化和压力变化的形式。此外，在电动机快速加热的非稳态(瞬时)行驶中，可以避免串联模式和并联模式之间频繁的切换。这种按需混合因此改善电动机冷却剂回路和电池冷却剂回路的温度控制。
在此，热管理系统还包括用于辅助地冷却电动机的油冷却回路，其中，油冷却回路通过热交换器热连接到第二冷却剂回路上。
除了电动机冷却回路的冷却液冷却电动机之外，油通过吸收电动机的定子和转子的废热并经由热交换器输送到电动机冷却回路来冷却电动机。在此，油同时润滑转子轴的轴承部位。
此外，还提出一种具有前述类型的热管理系统的车辆并且对其进行保护(参见权利要求6)。
此外，还提出并保护一种在油冷却回路的第一位置处使用第一压力传感器和在油冷却回路的第二位置处使用第二压力传感器(参见权利要求7)来监控在上述类型的热管理系统的包括电动机的油冷却回路中由油泵产生的油流的应用。作为两个压力传感器的补充，或至少作为两个压力传感器之一的替代，可以使用配属于油泵的转速传感器。
附图说明
下面参照附图对本发明进行详细说明。由从属权利要求和以下对优选实施方式的说明中得出本发明的其它有利的改进方案。附图示出：
图1示出了所提出的第一实施例的热管理系统，
图2示出了图1中示出的热管理系统以及第一实施例的油冷却回路，
图3示出了图1中示出的热管理系统以及第二实施例的油冷却回路，
图4示出了图1中示出的热管理系统以及第三实施例的油冷却回路，
图5示出了对应于油冷却回路的不同阶段的油压力变化曲线，
图6示出了在压力建立阶段中与所提出的对油冷却回路的监控相对应的第一流程图，
图7示出了在运行阶段中与所提出的对油冷却回路的监控相对应的第二流程图，以及
图8示出了在减压阶段中与所提出的对油冷却回路的监控相对应的第三流程图。
具体实施方式
图1中的车辆的热管理系统1示出用于驱动车辆的电池7的第一冷却剂回路2和用于驱动车辆的电动机13的第二冷却剂回路3以及空调设备的制冷剂回路4，但是下面不对其进行详细阐述。车辆在此可以是电池电动车辆(Battery Electric Vehicle，简称BEV)、混合动力电动车辆(Hybrid Electric Vehicle，简称HEV)或者燃料电池电动车辆(Fuel CellElectric Vehicle，简称FCEV)。这三个冷却回路2、3、4在此在一定程度上彼此交汇。在两个冷却剂回路2、3中，相应的冷却剂借助于各自的电动泵8、10被输送。
这种冷却剂在此被理解为水与冷却添加剂的混合物。在此，冷却剂不仅具有吸收和运输废热的任务。冷却添加剂同时应当保护水不被冻结，保护这两个冷却剂回路不受腐蚀，润滑在两个冷却剂回路中的可运动的部件以及保护两个冷却剂回路中的塑料元件和/或橡胶元件不被溶解。
电动机13和功率电子装置12应在约80℃至最大85℃的冷却剂温度或者说冷却水温度下运行。在此，冷却剂在至功率电子装置12的输入端处具有大约55℃的温度，在至电动机13的输入端处具有大约65℃的温度。在电动机13的输出端，冷却液然后具有约80℃至最大85℃的温度。
相对比，电池7或者电池单体应在大约20℃与大约40℃之间的冷却剂温度窗口或冷却水温度窗口中运行，因为这确保了电池7的最佳运行温度范围。电池7或各个电池单体本身的温度在此完全可超过约40℃的温度阈值。两个冷却剂回路2、3必须既能够吸收热量又能够释放热量。电池冷却剂回路2通过热交换器6(也称为冷却机，参见图1)相对于制冷剂回路4散热，而电动机冷却剂回路3则可以通过散热器或冷却器17相对于周围环境被散热以及通过下文将进行描述的多通阀9(也称为Coolant Flow Control Valve(冷却液流量控制阀)，简称CFCV)相对于电池冷却剂回路2散热，其中，多通阀9构成电池冷却剂回路2与电动机冷却剂回路3之间的接口并且该接口为此占据相应的阀位置，从而两个冷却剂回路2、3的冷却剂流能够根据需要彼此混合。
电池冷却剂回路2的散热也可以在多通阀9的相应的阀位置时经由散热器或冷却器17进行。但是因为电池冷却液不应超过40℃的温度，所以通过散热器17进行散热通常是不够的，从而必须通过热交换器6排出热量。在电动机冷却剂回路3中，除了要冷却电动机13和电力电子装置12外，还要冷却充电装置(也称为充电器)11。为了调节冷却剂回路2、3，分别设有未示出的温度传感器。此外，在电池冷却剂回路2中还设有未示出的电阻加热器，用于能够短时间地供给电热量。
借助于多通阀9能够使热管理系统1以不同的模式运行。多通阀9在此是所谓的执行器单元(也称为冷却水阀单元、冷却水控制阀单元或冷却水调节阀单元)的一部分，它本身也包括具有电伺服马达的驱动单元以及用于控制电伺服马达的控制单元。
关于这些模式，就完整内容参考德国专利申请文献10 2019 210 577.7，其对此作了详细阐述。
在系统的第一模式(Use Case 1，简称UC1＝具有最大热回收的串联连接R)中并且在多通阀9的第一阀位置中，冷却剂回路2能够与冷却剂回路3串联连接。在此，在多通阀9方面，冷却剂通过进口或输入端a和出口或输出端c从冷却剂回路3流入冷却剂回路2中并且最后通过进口或输入端d和出口或输出端b从冷却剂回路2流回到冷却剂回路3中。
这种串联连接使得电池冷却剂回路2在利用电动机13以及功率电子装置12的废热情况下快速升温。电动机冷却剂回路3因此也具有加热回路的功能。
在系统的第二模式(Use Case 2，简称UC2＝具有过热保护的并联线路P)中并且在多通阀9的第二阀位置中，冷却剂回路2可与冷却剂回路3并联连接，使得这两个冷却剂回路2、3在流体方面彼此分开。这种分开保护了电池7免于过热。
此外还提出了系统的第三模式(Use Case 3，简称UC3＝具有选择性热回收的混合模式M)，在该第三模式中，多通阀9切换到中间位置、即第三阀位置中，在该中间位置中，两个冷却剂回路2、3的冷却剂流根据需要相互混合。
通过这样的混合模式，不仅能够更精确地控制电池冷却剂回路2的冷却剂温度，而且能够更精确地控制电动机冷却剂回路13的冷却剂温度。在此有利地避免了在两个冷却剂回路2、3中的高的压力和温度突变/跳跃，因为不发生在串联连接模式R与并联连接模式P之间的频繁切换。
在这里所提出的实施方案中(参见例如图1)，多通阀9以5/3换向阀的形式设计。在此，还必须考虑5/3换向阀的从图1的平面伸出的进口或输入端e，该入口或输入端本身通过旁路路径16与电动机13下游的节点14(或其出口a’)流体连接，其中，从节点14既伸出旁路路径16，又伸出与旁路路径并行的具有散热器17的路径15。散热器路径15将节点14(或其出口c’)与5/3换向阀的进口或输入端a流体连接。
代替所述5/3换向阀，也能够使用构造为4/2换向阀的多通阀，经由所述换向阀同样能够设定或操控之前描述的系统模式和阀位置。在此，在冷却剂回路3中在电动机13的下游——代替之前所描述的节点——设置有另一设计为3/2换向阀的多通阀，该换向阀与4/2换向阀的入口或输入端a流体连接。
关于该替代的设计方案，就完整内容同样参考德国专利申请文献10 2019 210577.7，其对此作了详细阐述。
热管理系统1还包括具有油冷却回路5的油冷却系统5a(参见图2、图3、图4)，用于附加地冷却电动机13。油冷却回路5在此借助于热交换器20热连接至冷却剂回路3。油冷却回路5除了包括热交换器20的一部分之外还包括电动机13的转子27以及例如三级传动机构形式的传动机构或减速和/或传动齿轮26，所述传动机构与电动机13(或定子13’和转子27)一起形成电动机-传动机构-驱动单元。油冷却回路5还包括油泵23、流体地连接在油泵23上游的油过滤器24以及两个温度传感器25、28(参见图2、图3、图4)。
相对比，电动机13的定子13’被冷却剂回路3包围，也就是说，定子13’被冷却剂或水冷却。
通过热交换器20将由油冷却回路5吸收的电动机13或定子13’和转子27的废热输送给冷却剂回路3。在此，热交换器20在流体方面与冷却剂或水冷却的定子13’并联地布置。
在此，第一输入管路18从冷却剂回路3的在定子13’上游的节点伸至热交换器20，并且第二输入管路19从热交换器20伸至在定子13’下游的所述节点14。
通过转子27的轴，将也用于润滑和冷却传动机构26的油输送至转子27的至少一个排出位置。油从该排出位置在离心力的作用下被甩向定子13’的绕组，其中油分布在转子27上，并且在此也到达转子轴的两个轴承部位。油最终流入到安装在定子13’上的油池中并为之所容纳。油泵23从油池中吸取油并将油输送。
在此，除了电动机冷却剂回路的冷却液外，油通过吸收定子13’和转子27的废热也冷却电动机13，并且同时润滑转子轴的所述轴承部位。
油冷却回路5还包括用于监控油流的监控系统。监控系统在此优选在热交换器20的上游和油泵23的下游包括压力传感器21。在第一实施方式中，监控系统还包括转速传感器22’，所述转速传感器设置在油泵23上以用于检测泵转速(参见图2)。在第二实施方式中，有利地设置附加的压力传感器22来代替转速传感器22’，以便能够借助于检测到的压力来确定压力差。通过使用两个压力传感器21、22，可以显著降低这种监控系统的成本。在此建议，两个压力传感器21、22优选设置在热交换器20上游和油泵23下游。在图3中，与图2不同，两个压力传感器21、22是传感器模块20a的集成的组成部分。
图5示出了在三个相继的阶段中借助于两个压力传感器21、22检测到的与油冷却回路5中的油流相对应的压力变化曲线，所述三个阶段确切是：
·在压力建立阶段(阶段I)中，
·在压力建立阶段之后的运行阶段(阶段II)中，和
·在紧随运行阶段的减压阶段(阶段III)中。
为了监控油流，在此关于各个阶段I至III确定两个压力变化曲线之间的压力差值。然后将这些压力差值与针对压力差值可预先给定的基于阶段的比较值(也称为阈值或者说参考值)进行比较，以用于检查故障，其中，在比较值超出阈值时识别出错误。
还在油泵23并且因此油冷却回路5投入运行或被激活之前，也就是说还在压力建立阶段(阶段I)开始之前，建议，检查监控系统的电气故障(或传感器故障)，也就是说例如检查短路或电缆断裂(对此参见图6中的步骤P1_1至P1_7)。
为此，可以从开始该检查的时刻起(参见步骤P1_1、图6)经过最小时间或去抖时间(参见步骤P1_2、图6)，以确保油冷却回路5处于静止状态并且油冷却回路5内的压力被降低。在步骤P1_3中检查该条件。然后在至少一个时间点离散地记录压力传感器21、22的信号，并且对于该时间点确定压力差值(参见步骤P1_4、图6)。然后在步骤P1_5中将该压力差值与可预定的第一压力比较值SW1进行比较。如果在步骤P1_6中压力差值超过压力阈值SW1，则可以推断出监控系统的这种电气故障(或传感器故障)(参见步骤P1_7、图6)。否则监控系统无故障。
在步骤P1_8中，油泵23以及由此油冷却回路5开始运行或被激活，由此压力建立阶段(阶段I)开始。在此，在油泵23的至少一个压油冲程(其中该油泵是容积式泵)时，不连续地检测压力传感器21、22的信号(参见步骤P1_8，图6)。在图5中清楚地看到在压力建立阶段(阶段I)期间的这种压油冲程。然后，确定至少一个压力差值(参见步骤P1_8，图6)，然后将压力差值与可预先给定的第二压力比较值SW2(压力差的基于阶段的比较值)进行比较(参见步骤P1_9，图6)。除此之外，也可以在达到压油冲程之前的时间与可预先给定的时间比较值进行比较。
对于所确定的压力差值以及必要时所确定的时间值超过相应所分配的比较值的情况(参见步骤P1_10、图6)，识别出在压力建立阶段(阶段I)中的这种故障(参见步骤P1_11、图6中的故障输出)。在其他情况下，压力建立阶段(阶段I)无故障(参见步骤P1_12、图6)。
在紧接在压力建立阶段(阶段I)之后的运行阶段(阶段II，参见步骤P2_1，图7)开始之后，重新离散地、也就是说在至少一个时间点检测压力传感器21、22的信号并且对于该时间点从两个传感器信号中确定压力差值(参见步骤P2_2，图7)。然后将该压力差值与可预定的第三压力比较值SW3(压力差的基于阶段的比较值)进行比较(也参见步骤P2_2、图7)，以便检查监控系统的电气故障(或传感器故障)。如果所确定的压力差值超过了压力比较值SW3(参见步骤P2_3，图7)，则识别到监控系统的这样的电气故障(或传感器故障)(参见步骤P2_7，图7)。
紧接着，由两个压力传感器21、22的离散记录的信号形成平均值(参见步骤P2_4、图7)并且该平均值或压力平均值然后与可预定的第四压力比较值(针对压力差的基于阶段的比较值)比较(参见步骤P2_5、图7)，以便检查在运行阶段(阶段II)中的故障。如果该压力平均值在步骤P2_6中超过比较值，则识别出在运行阶段(阶段II)中的这种故障(参见步骤P2_8，图7)。否则运行阶段(阶段II)无故障(参见步骤P2_9、图7)。
在用于开始减压阶段(阶段III)的油泵23停用或停止运行(参见步骤P3_1、图8)之后，压力传感器21、22的信号在至少一个时间点重新被离散地记录(参见步骤P3_2、图8)。然后，为该时间点确定压力差值，然后将该压力差值与可预先给定的第五压力比较值SW5(针对压力差的基于阶段的比较值)进行比较(也参见步骤P3_2、图8)，以便检查监控系统的电气故障(或传感器故障)。如果该压力差值在步骤P3_3超过压力比较值，则识别出监控系统的这种电气故障(或传感器故障)(参见步骤P3_4、图8)。否则监控系统无故障。
然后监控压力降，其方式是在基于减压阶段(阶段III)开始的可预设的时间或者说去抖时间(参见步骤P3_5，图8)之后，将两个离散地记录到的压力或者说压力传感器值与可预设的、基于去抖时间的目标值(第六压力比较值SW6；针对压力差的基于阶段的比较值)进行比较，以便检验在减压阶段(阶段III)中的故障。如果超过这个目标值(参见步骤P3_7，图8)，则识别出在减压阶段(阶段III)中的这种故障(参见步骤P3_8，图8)。否则减压阶段(阶段III)无故障(参见步骤P3_9、图8)。
关于各个阶段I、II、III，建议例如每隔10ms至100ms记录压力传感器值。在此，之前所述的基于阶段的比较值可以基于阶段地变化，也就是说是特定于阶段的。
虽然在前述说明中阐述了示例性的实施形式，但需要指出的是，可以得出大量的变型方案。此外应指出的是，示例性实施例仅是示例，并不旨在以任何方式限制保护范围、应用方式和构造。更确切地说，通过上述说明为本领域技术人员提供了用于实现至少一个示例性实施例的指导，同时可以进行各种变化，尤其在所述组成部分的功能和布置方面进行各种变化，而不脱离从权利要求书及其等效特征组合中所得出的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于车辆的热管理系统，该车辆具有用于驱动车辆的、待调温的电池(7)和待调温的电动机(13、13’、27)，其中，所述电动机(13、13’、27)至少是油冷却的，其中，所述热管理系统具有用于监控在包括电动机(13、13’、27)的油冷却回路(5)中借助于油泵(23)产生的油流的监控系统，其中，所述监控系统具有在油冷却回路的第一位置上的第一压力传感器(21)和在油冷却回路的第二位置上的第二压力传感器(22)和/或配属于油泵(23)的转速传感器(22’)。
2.根据权利要求1所述的热管理系统(1)，其中，所述电动机(13)的定子(13’)被包括在冷却剂回路(3)中，而所述电动机(13)的转子(27)被包括在油冷却回路(5)中，其中，所述油冷却回路(5)经由热交换器(20)热连接至所述冷却剂回路(3)。
3.根据权利要求1或2所述的热管理系统(1)，其中，所述第一压力传感器(21)和所述第二压力传感器(22)设置在热交换器(20)的上游和油泵(23)的下游。
4.根据权利要求2或3所述的热管理系统(1)，其中，所述热交换器(20)在流体方面与由冷却剂冷却的定子(13’)并联地布置。
5.根据权利要求4所述的热管理系统(1)，其中，第一输入管路(18)从冷却剂回路(3)的在定子(13’)上游的节点延伸至热交换器(20)，并且第二输入管路(19)从热交换器(20)延伸至冷却剂回路(3)在定子(13’)下游的节点(18)。
6.一种车辆，其具有根据权利要求1至5中任一项所述的热管理系统(1)。
7.在油冷却回路(5)的第一位置处第一压力传感器(21)并且在油冷却回路(5)的第二位置处第二压力传感器(22)和/或配属于油泵(23)的转速传感器(22’)用于监控在如前述权利要求1至5中任一项所述的热管理系统的包括电动机(13、13’、27)的油冷却回路(5)中由油泵(23)产生的油流的应用。
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