CN114435112A - 用于作业机器的可逆热管理系统和方法 - Google Patents

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史蒂文·R·怀特曼
萨科·H·福尤克
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Deere and Co
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Abstract

公开了一种用于作业机器的可逆热管理系统和方法。该系统包括原动机、电池、第一回路和第二回路。电池提供原动机的至少一部分动力。第一回路使适于与电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个交换热能的乙二醇循环。第二回路使制冷剂循环。通过至少一个热交换器热耦合到第一回路的第二回路适于与空气交换热能。

Description

用于作业机器的可逆热管理系统和方法
技术领域
本公开涉及一种用于作业机器的可逆热管理系统和方法。
背景技术
随着对节能和环保产品的兴趣日益增长，混合动力和电动形式的车辆在汽车行业变得越来越普遍并且现在已进入作业机器。然而，诸如挖掘、承载和地面的雕刻的工作量繁重的动作需要大量电力。利用节能产品，在平衡作业机器的尺寸和功能方面(其中增加的功率使用需要尺寸不断增加的电池)，功率效率和功耗的改进变得至关重要。因此需要通过减小尺寸、重量和效率来优化能源系统，包括作业机器的热管理。
发明内容
提供此发明内容以介绍下面在详细描述和附图中进一步描述的概念的选择。此发明内容并非旨在识别所附权利要求的关键或基本特征，也非旨在用于帮助确定所附权利要求的范围。
本公开包括一种用于作业机器的可逆热管理系统和方法。该系统包括原动机、电池、第一回路和第二回路。电池提供原动机的至少一部分动力。第一回路使适于与电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个交换热能的乙二醇循环。第二回路使制冷剂循环。通过至少一个热交换器热耦合到第一回路的第二回路适于与空气交换热能。
该系统还可包括冷却操作模式和热交换器。冷却操作模式包括电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个。在此模式期间，由第一回路内的乙二醇吸收热能。热交换器作为蒸发器操作以将热能释放到第二回路内的制冷剂。第二回路通过冷凝器将热能释放到空气。
该系统还可包括用于对电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个加热的加热操作模式。在加热操作模式期间，由第二回路中的制冷剂吸收热能。热交换器作为冷凝器操作以将热能释放到第一回路内的乙二醇。第二回路通过蒸发器从空气吸收热能。
蓄热单元还可耦合到第一回路和第二回路中的一个或更多个。蓄热单元在冷却操作模式期间吸收热能并且在加热操作模式期间释放热能。
第一回路包括使乙二醇在第一回路中循环的第一齿轮泵。第二回路包括使制冷剂在第二回路中循环的第二齿轮泵。第一齿轮泵和第二齿轮泵各自包括驱动马达，其中，驱动马达引导流方向。控制器适于向驱动马达发送流信号以基于电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个的温度来控制流方向。控制器还可适于向驱动马达发送流信号以控制流大小。
在用于作业机器的可逆热管理方法中，该方法包括：由控制器从热传感器接收温度信号；由控制器分析温度信号；由控制器确定模式；由控制器基于模式向耦合到第一齿轮泵和第二齿轮泵的各个驱动马达发送流信号；以及使流体在所确定的流方向上循环。热传感器测量作业机器上的电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个的温度。模式包括冷却操作模式和加热操作模式。流信号使用第一齿轮泵和第二齿轮泵中的一个或更多个来引导第一回路和第二回路中的一个更多个中的流体的流方向。
在该方法的另一方面中，第一回路可使适于与电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个交换热能的乙二醇循环。通过至少一个热交换器热耦合到第一回路的第二回路使适于与空气交换热能的制冷剂循环。
冷却操作模式可包括由第一回路中的乙二醇吸收热能并且由乙二醇通过作为蒸发器操作的热交换器将热能释放到第二回路中的制冷剂。该方法可包括由制冷剂通过蒸发器将热能释放到空气。
加热操作模式可包括由第二回路中的制冷剂从空气吸收热能并且通过作为冷凝器操作的热交换器将热能释放到第一回路内的乙二醇。
该方法还可包括在冷却操作模式期间从耦合到第一回路和第二回路中的一个或更多个的蓄热单元吸收热能并且在加热操作模式期间释放热能单元。
流信号还可调节来自第一回路和第二回路中的一个或更多个的流体的流速。
这些和其它特征将从以下详细描述和附图变得显而易见，其中，作为例示示出和描述了各种特征。本公开能够具有其它不同的配置并且其若干细节能够在各种其它方面修改，其全部未脱离本公开的范围。因此，详细描述和附图本质上将被认为是例示性的，而非限制。
附图说明
附图的详细描述参照了附图，附图中：
图1是根据一个实施方式的作业机器的侧视图；
图2是作业机器的可逆热管理系统冷却部件的示意图；
图3是作业机器的可逆热管理系统加热部件的示意图；
图4是可逆热管理系统的方法的流程图。
贯穿若干附图，相似的标号用于指示相似的元件。
具体实施方式
以上附图和以下详细描述中公开的实施方式并非旨在为穷尽性的或将本公开限于这些实施方式。相反，可在不脱离本公开的范围的情况下进行若干变化和修改。
如本文所使用的，除非另外限制或修改，否则具有通过连词(例如，“和”)分开并且前面还有短语“...中的一个或更多个”或“...中的至少一个”的元素的列表指示可能包括列表中的各个元素或其任何组合的配置或布置。例如，“A、B和C中的至少一个”或“A、B和C中的一个或更多个”指示仅A、仅B、仅C、或者A、B和C中的两个或更多个的任何组合(例如，A和B；B和C；A和C；或A、B和C)的可能性。
如本文所使用的，术语“控制器”是包括处理器和存储器的计算装置。“控制器”可以是单个装置或另选地多个装置。控制器215还可指任何硬件、软件、固件、电子控制部件、处理逻辑、处理装置(单独地或任何组合)，包括但不限于：执行一个或更多个软件或固件程序、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其它合适部件的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或组)和存储器。
图1示出具有可逆热管理系统125的示例性作业机器100(反铲装载机)。图2和图3是与本实施方式有关的可逆热管理系统125的高级示意图。
作业机器100具有框架105，其耦合到用于支撑和推进作业机器100的地面接合机构110。与传统作业机器相比，电动作业机器和混合动力作业机器可能需要作业机器部件123(以下也称为电子部件、传输回路、液压回路)的重新配置和各个相应部件的空间重新分配。从事繁重工作量的作业机器的电池115尺寸通常相对大，并且难以简单地“附加”到现有部件。以下公开了一种有利地优化热管理所需的空间的可逆热管理系统125。例如，系统125允许消除压缩机，热管理系统中常见的部件。移除压缩机开放了原本不可用的空间，并且还减轻了作业机器上的负荷。另外，流180的可逆性使得系统125能够在冷却操作模式200或加热操作模式202下操作。
可逆热管理系统125包括原动机120、供应原动机的至少一部分120r的电池115、第一回路130和第二回路140。
原动机120包括向液压系统提供动力和/或旋转驱动系统动力的任何动力源。例如，原动机120可包括但不限于内燃机、活塞发动机、旋转发动机、液压马达、静压系统、电动机等。在混合动力配置中，电池115可供应原动机120的至少一部分动力。在纯电动配置中，电池115可以是原动机120上的电动机的主要动力源。
第一回路130使适于与作业机器100的作业机器部件123和电池115中的一个或更多个交换热能的乙二醇135循环。然而，其它替代可包括其它流体(例如，油)。
使制冷剂145循环并通过至少一个热交换器170耦合到第一回路130的第二回路140也适于与环境空气190交换热能。液-液热交换器170在第一回路130和第二回路140之间传递热能。在炎热环境中，可逆热管理系统125可用于从电池115和作业机器部件126中的一个或更多个吸收热能，并且将热能释放到环境空气190。在寒冷环境中，可逆热管理系统125使流180反向(如箭头所指示的)以利用从环境空气190吸取的热能来加热电池115和作业机器部件中的一个或更多个。
图2展示了在用于冷却电池115和作业机器部件123的冷却操作模式200下的可逆热管理系统125。在冷却操作模式200期间，由第一回路130内的乙二醇135吸收热能。在冷却操作模式200下，热交换器170作为蒸发器165操作以将来自乙二醇135的热能释放到第二回路140中的制冷剂145。随后，第二回路140通过冷凝器175将热能释放到环境空气190。
系统125还包括用于加热作业机器部件123和电池115中的一个或更多个的加热操作模式202。在加热操作模式202期间，在第二回路140中由制冷剂145从空气190吸收热能。第二回路140通过蒸发器165从空气190吸收热能。在加热操作模式202下，热交换器170作为冷凝器175操作以将热能释放到第一回路130内的乙二醇135。
系统125还可包括热耦合到第一回路130和第二回路140中的一个或更多个的蓄热单元193。蓄热单元193可在冷却操作模式200期间吸收热能并且在加热操作模式202期间释放先前从冷却操作模式200移除的热能。
包括乙二醇135的第一回路130和包括制冷剂145的第二回路140各自具有其自己相应的齿轮泵(205、210)。在本实施方式中，齿轮泵由马达(185)驱动以通过物理或机械作用方便液体通过回路移动。有利地，各个齿轮泵(205、210)可通过改变驱动马达185的方向来使流方向180反向。对于包括压缩机和离心水泵的传统热管理系统，可逆流特征是不可能的。此外，对于气体介质，可逆性是不可能的。乙二醇齿轮泵205(即，引导乙二醇135的流180通过第一回路130的齿轮泵)能够生成比传统水泵高达十倍的输出压力，从而允许第一回路130的更宽广的行进路径。齿轮泵(205、210)具有至少两个端口，用于液体流入的第一端口和用于液体流出的第二端口。
另外，与传统热管理系统相比，包括制冷剂齿轮泵210的第二回路140在较低压力下操作。较低操作压力有利地降低了操作系统所需的动力，从而使得较低成本的齿轮泵部件能够使制冷剂循环。
图4示出操作用于作业机器的可逆热管理系统300的方法/过程(以下也称为热管理过程300)，其可在本文中描述并在各种附图中描绘的一个或更多个实施方式中实现。方法300也可应用于需要热能管理的任何作业机器100，其中，作业机器100包括原动机120和电池115中的一个或更多个。热管理过程300包括下面依次描述的多个过程步骤305、310、315、320、325、330、335、340、345和350。根据热管理过程300实现的具体方式，图4中一般示出的各个步骤可能需要单个过程或多个子过程。此外，仅作为非限制性示例提供在图4中示出并在下面描述的步骤。在热管理过程300的替代实施方式中，可执行附加过程步骤，可省略某些步骤，和/或所示过程步骤可按替代顺序执行。在步骤305，方法开始。
在步骤305，控制器215从作业机器上的电子部件、传输回路、液压回路(由123表示)和电池115中的一个或更多个中的热传感器225接收温度信号。
在步骤310，控制器215分析温度信号220。
在步骤315，控制器215然后确定操作模式，其中，所述模式包括冷却操作模式200和加热操作模式202。
在步骤320，控制器215基于所识别的模式向各个相应的驱动马达185发送流信号230。即用于第一齿轮泵205的驱动马达185和用于第二齿轮泵210的驱动马达185。流信号230使用第一齿轮泵205和第二齿轮泵210中的一个或更多个来引导第一回路130和第二回路140中的一个或更多个中的流体的流方向。流信号230还调节来自第一回路和第二回路中的一个或更多个的流体的流速和/或大小。
在步骤325，该方法包括基于流信号使流体在流方向上在第一回路和第二回路中的一个或更多个中循环。在第一回路中，流体是适于与电子部件、传输回路、液压回路123和电池115中的一个或更多个交换热能的乙二醇。在通过至少一个热交换器170热耦合到第一回路130的第二回路140中，流体是适于与空气交换热能的制冷剂145。
如果控制器215确定继续冷却操作模式200，则在步骤330，第一回路130通过乙二醇135吸收热能，随后在步骤335通过作为蒸发器165操作的热交换器170将乙二醇135中的热能释放到第二回路140中的制冷剂145。制冷剂145通过冷凝器175将该热能释放到空气。
另选地，如果控制器215确定继续加热操作模式202，则在步骤340，第二回路140中的制冷剂145从空气吸收热能，随后在步骤345通过作为蒸发器165操作的热交换器170将热能释放到第一回路130内的乙二醇135。乙二醇135通过蒸发器将该热能释放到电子部件、传输回路、液压回路123和电池115中的一个或更多个。
在步骤350，当将流体温度维持在一定范围内时，耦合到第一回路130和第二回路140中的一个或更多个的蓄热单元193将在冷却操作模式200期间吸收热能，并且在加热操作模式202期间释放热能。
本文所使用的术语是为了描述特定实施方式或实现方式，而非旨在限制本公开。如本文所使用的，除非上下文清楚地另外指示，否则单数形式旨在也包括复数形式。还将理解，在本说明书中对术语“具有”、“包括”等的任何使用识别存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
在描述设备的多个实现方式时，本文中与标号一起使用的引用“A”和“B”仅是为了阐明。
本文所讨论的任何方法、过程或系统中的一个或更多个步骤或操作可被省略、重复或重新排序并且在本公开的范围内。
尽管以上描述了本公开的示例实施方式，这些描述不应被视为限制性的。相反，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可进行若干变化和修改。

Claims (15)

1.一种用于作业机器的可逆热管理系统，所述系统包括：
原动机；
电池，所述电池提供原动机的至少一部分动力；
第一回路，所述第一回路使适于与作业机器的电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个交换热能的乙二醇循环；以及
第二回路，所述第二回路使制冷剂循环，所述第二回路通过至少一个热交换器热耦合到第一回路，所述第二回路适于与空气交换热能。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
冷却操作模式，所述冷却操作模式用于冷却电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个，其中，在冷却操作模式期间，由第一回路内的乙二醇吸收热能，并且
热交换器作为蒸发器操作以将热能释放到第二回路内的制冷剂。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，第二回路通过冷凝器将热能释放到空气。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括：
加热操作模式，所述加热操作模式用于加热电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个，其中，在加热操作模式期间，由第二回路中的制冷剂吸收热能，并且
热交换器作为冷凝器操作以将热能释放到第一回路内的乙二醇。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，第二回路通过蒸发器从空气吸收热能。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括：
蓄热单元，所述蓄热单元热耦合到第一回路和第二回路中的一个或更多个，所述蓄热单元在冷却操作模式期间吸收热能并且在加热操作模式期间释放热能。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，第一回路包括使乙二醇在第一回路中循环的第一齿轮泵，并且其中，第二回路包括使制冷剂在第二回路中循环的第二齿轮泵。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，第一齿轮泵和第二齿轮泵每个都包括驱动马达，所述驱动马达引导流大小。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，第一齿轮泵和第二齿轮泵每个都包括驱动马达，所述驱动马达引导流方向。
10.根据权利要求9所述的系统，还包括耦合到第一齿轮泵和第二齿轮泵的控制器，所述控制器适于向驱动马达发送流信号，以基于电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个的温度来控制流方向。
11.一种用于作业机器的可逆热管理方法，所述方法包括：
由控制器从热传感器接收温度信号，所述热传感器测量作业机器的电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个的温度；
由控制器分析温度信号；
由控制器确定模式，所述模式包括冷却操作模式和加热操作模式；
由控制器基于模式向耦合到第一齿轮泵和第二齿轮泵的每个驱动马达发送流信号，所述流信号使用第一齿轮泵和第二齿轮泵中的一个或更多个来引导第一回路和第二回路中的一个或更多个中的流体的流方向；
基于流信号使流体在所述流方向上在第一回路和第二回路中的一个或更多个中循环。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，第一回路使适于与电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个交换热能的乙二醇循环，并且第二回路使适于与空气交换热能的制冷剂循环，第二回路通过至少一个热交换器热耦合到第一回路。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述冷却操作模式还包括：
由第一回路中的乙二醇吸收热能，并且
通过作为蒸发器操作的热交换器将乙二醇的热能释放到第二回路中的制冷剂。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述加热操作模式还包括：
由第二回路中的制冷剂从空气吸收热能，并且
通过作为蒸发器操作的热交换器将热能释放到第一回路内的乙二醇。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，由乙二醇通过蒸发器将热能释放到电子部件、传输回路、液压回路和电池中的一个或更多个。
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