DE102017113102A1

DE102017113102A1 - Batteriekühlersteuerung mit elektronischem expansionsorgan

Info

Publication number: DE102017113102A1
Application number: DE102017113102.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Xu; Steven L. Lambert; Mark C. EVANS; Ali Jalilevand; William Stewart Johnston; Timothy Van Evans
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2017-12-14
Also published as: CN107499091A; US20170358833A1; US10403946B2

Abstract

Ein Klimasteuerungssystem für ein Fahrzeug umfasst ein Kältemittelteilsystem, das einen Kühler und ein elektronisches Expansionsventil (EXV) aufweist, das dazu angeordnet ist, Kältemittel selektiv zu dem Kühler zu leiten. Das Fahrzeug umfasst ferner ein Kühlmittelteilsystem, das Leitungen aufweist, die dazu angeordnet sind, Kühlmittel durch eine Antriebsbatterie und den Kühler zu zirkulieren. Das Kühlmittelteilsystem umfasst ferner einen ersten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, in eine Einlassseite des Kühlers zirkulierendes Kühlmittel zu messen, und einen zweiten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, aus einer Auslassseite des Kühlers zirkulierendes Kühlmittel zu messen. Eine Fahrzeugsteuerung ist dazu ausgelegt, als Reaktion darauf, dass die Batterie eine Schwellentemperatur überschreitet und Fahrgastraumklimatisierung angefordert wird, eine Öffnung des EXV bis in eine vorgegebene Position zu befehlen und die Position auf Grundlage einer gemessenen Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor einzustellen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Steuerungsstrategie und ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriekühlers, der zu einem Klimatisierungssystem eines Fahrzeugs gehört.
STAND DER TECHNIK
Die Notwendigkeit der Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen bei Automobilen und anderen Fahrzeugen ist hinlänglich bekannt. Es werden Fahrzeuge entwickelt, welche die Abhängigkeit von Verbrennungsmotoren verringern oder diese Abhängigkeit vollständig beseitigen. Elektro- und Hybridfahrzeuge sind eine Fahrzeugart, welche in dieser Hinsicht gerade entwickelt wird. Elektro- und Hybridfahrzeuge umfassen einen Fahrmotor, der durch eine Antriebsbatterie mit Energie versorgt wird. Antriebsbatterien erfordern ein Wärmemanagementsystem zur Wärmeregulierung der Temperatur der Batteriezellen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Klimasteuerungssystem für ein Fahrzeug ein Kältemittelteilsystem, das einen Kühler und ein elektronisches Expansionsventil (EXV) aufweist, das dazu angeordnet ist, Kältemittel selektiv zu dem Kühler zu leiten. Das Fahrzeug umfasst ferner ein Kühlmittelteilsystem, das Leitungen aufweist, die dazu angeordnet sind, Kühlmittel durch eine Antriebsbatterie und den Kühler zu zirkulieren. Das Kühlmittelteilsystem umfasst ferner einen ersten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, in eine Einlassseite des Kühlers zirkulierendes Kühlmittel zu messen, und einen zweiten Temperatursensor, der dazu ausgelegt ist, aus einer Auslassseite des Kühlers zirkulierendes Kühlmittel zu messen. Eine Fahrzeugsteuerung ist dazu ausgelegt, als Reaktion darauf, dass die Batterie eine Schwellentemperatur überschreitet und Fahrgastraumklimatisierung angefordert wird, eine Öffnung des EXV bis in eine vorgegebene Position zu befehlen und die Position auf Grundlage einer gemessenen Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor einzustellen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Fahrzeug ein Kältemittelsystem, das einen Kühler und ein elektronisches Expansionsventil (EXV) aufweist, das dazu angeordnet ist, Kältemittel selektiv zu dem Kühler zu leiten, und ein Kühlmittelsystem, das dazu angeordnet ist, Kühlmittel durch eine Antriebsbatterie und den Kühler zu zirkulieren. Eine Fahrzeugsteuerung ist dazu ausgelegt, als Reaktion darauf, dass das EXV geöffnet ist und Fahrgastraumklimatisierung angefordert wird, eine Öffnung des EXV auf Grundlage einer Differenz zwischen einer gemessenen Kühlerkapazität und einer Soll-Kühlerkapazität einzustellen.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugklimasystems vorgestellt, das einen Kühler aufweist, der dazu angeordnet ist, Wärme zwischen einem Kältemittelteilsystem und einem Batterie-Kühlmittelteilsystem zu übertragen. Das Verfahren umfasst Öffnen eines elektronischen Expansionsventils, das zu dem Kühler gehört und dazu ausgelegt ist, Kältemittel an den Kühler zu steuern, bis in eine vorgegebene Position als Reaktion darauf, dass eine Batterie eine Schwellentemperatur überschreitet. Das Verfahren umfasst ferner Einstellen der Position auf Grundlage einer gemessenen Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen den Kühlmitteltemperaturen am Kühlereinlass und -auslass.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Elektrofahrzeugs.
2 ist eine schematische Darstellung eines Klimasteuerungssystems eines Fahrzeugs.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Logik zum Steuern eines elektronischen Expansionsventils, das zu einem Batteriekühler gehört, veranschaulicht.
4 ist ein weiteres Ablaufdiagramm, das eine Logik zum Steuern eines elektronischen Expansionsventils, das zu einem Batteriekühler gehört, veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten von bestimmten Komponenten zu zeigen. Dementsprechend sind hierin offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann eine vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für einen Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, welche in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen zu erzeugen, welche nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben werden. Die veranschaulichten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, welche mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen erwünscht sein.
1 stellt ein Schema eines beispielhaften Batterieelektrofahrzeugs (BEV) dar. Bestimmte Ausführungsformen können jedoch auch im Kontext von Hybridelektrofahrzeugen umgesetzt werden. Das Fahrzeug 12 umfasst eine oder mehrere elektrische Maschinen 14, die mechanisch mit einem Getriebe 16 verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 14 können dazu in der Lage sein, als Motor oder Generator zu arbeiten. Falls das Fahrzeug ein Hybridelektrofahrzeug ist, so ist das Getriebe 16 mechanisch mit einem Motor (nicht gezeigt) verbunden. Das Getriebe 16 ist über eine Antriebswelle 20 mechanisch mit den Rädern 22 verbunden. Die elektrischen Maschinen 14 können Antriebs- und Abbremsfähigkeit bereitstellen. Die elektrischen Maschinen 14 fungieren auch als Generatoren und können Vorteile bei der Kraftstoffeffizienz bereitstellen, indem Energie durch generatorisches Bremsen rückgewonnen wird.
Eine Antriebsbatterie oder ein Batteriepack 24 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 14 verwendet werden kann. Die Antriebsbatterie 24 stellt typischerweise einen Hochspannungsgleichstrom-(DC)-Ausgang aus einem oder mehreren Batteriezellenarrays, mitunter als Batteriezellenstapel bezeichnet, innerhalb der Antriebsbatterie 24 bereit. Die Batteriezellenarrays können eine oder mehrere Batteriezellen umfassen.
Die Batteriezellen (wie etwa prismatische Zellen, Pouch-Zellen, zylindrische Zellen oder eine beliebige andere Zellenart) wandeln gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie um. Die Zellen können ein Gehäuse, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) umfassen. Ein Elektrolyt kann zulassen, dass Ionen sich während der Entladung zwischen der Anode und Kathode bewegen und dann während der Wiederaufladung zurückkehren. Anschlüsse können zulassen, dass Strom zur Verwendung durch das Fahrzeug aus der Zelle strömt.
Unterschiedliche Batteriepackkonfigurationen sind verfügbar, um individuellen Fahrzeugvariablen einschließlich Gehäuseeinschränkungen und Energieanforderungen zu entsprechen. Die Batteriezellen können mit einem Wärmemanagementsystem wärmereguliert werden. Beispiele für Wärmemanagementsysteme umfassen Luftkühlsysteme, Flüssigkeitskühlsysteme und eine Kombination aus Luft- und Flüssigkeitskühlsystemen.
Die Antriebsbatterie 24 kann durch ein oder mehrere Schütze (nicht gezeigt) elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 26 verbunden sein. Das eine oder die mehreren Schütze isolieren die Antriebsbatterie 24 von anderen Komponenten, wenn sie geöffnet sind, und verbinden die Antriebsbatterie 24 mit anderen Komponenten, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 26 kann elektrisch mit den elektrischen Maschinen 14 verbunden sein und kann die Möglichkeit bereitstellen, elektrische Energie bidirektional zwischen der Antriebsbatterie 24 und den elektrischen Maschinen 14 zu übertragen. Beispielsweise kann eine typische Antriebsbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 14 eine Dreiphasenwechselstrom-(AC)-Spannung erfordern können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung in eine Dreiphasenwechselspannung umwandeln, wie durch die elektrischen Maschinen 14 erfordert. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 26 die Dreiphasenwechselspannung aus den elektrischen Maschinen 14, die als Generatoren fungieren, in die Gleichspannung umwandeln, die durch die Antriebsbatterie 24 erfordert wird.
Neben dem Bereitstellen von Energie für Antrieb kann die Antriebsbatterie 24 Energie für weitere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Ein typisches System kann einen Gleichspannungswandler 28 umfassen, der den Hochspannungsgleichstromausgang der Antriebsbatterie 24 in eine Niederspannungsgleichstromversorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeugkomponenten kompatibel ist. Andere Hochspannungslasten, wie etwa Klimakompressoren und elektrische Heizgeräte, können ohne die Verwendung eines Gleichspannungswandlermoduls 28 direkt mit der Hochspannungsversorgung verbunden sein. In einem typischen Fahrzeug sind die Niederspannungssysteme elektrisch mit dem Gleichspannungswandler und einer Hilfsbatterie 30 (z. B. einer 12-Volt-Batterie) verbunden.
Ein Batterieenergiesteuermodul (BECM) 33 kann mit der Antriebsbatterie 24 in Verbindung stehen. Das BECM 33 kann als Steuerung für die Antriebsbatterie 24 fungieren und kann zudem ein elektronisches Überwachungssystem umfassen, das die Temperatur und den Ladestatus für jede der Batteriezellen verwaltet. Die Antriebsbatterie 24 kann über einen Temperatursensor 31 wie etwa einen Thermistor oder anderen Temperaturanzeiger verfügen. Der Temperatursensor 31 kann mit dem BECM 33 in Verbindung stehen, um Temperaturdaten in Bezug auf die Antriebsbatterie 24 bereitzustellen. Das BECM 33 kann Teil eines größeren Fahrzeugsteuersystems sein, das eine oder mehrere zusätzliche Steuerungen umfasst.
Das Fahrzeug 12 kann durch eine externe Stromquelle 36 wieder aufgeladen werden. Die externe Stromquelle 36 kann eine Verbindung zu einer Steckdose sein, die mit dem Stromnetz verbunden ist, oder kann eine lokale Stromquelle (z. B. Solarstrom) sein. Die externe Stromquelle 36 ist elektrisch mit einer Fahrzeugladestation 38 verbunden. Die Ladestation 38 kann eine Schaltung und Steuerelemente bereitstellen, um die Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Stromquelle 36 und dem Fahrzeug 12 zu regulieren und zu verwalten. Die externe Stromquelle 36 kann der Ladestation 38 Gleichstrom oder Wechselstrom bereitstellen. Die Ladestation 38 kann einen Ladestecker 40 zum Einstecken in einen Ladeport 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Ladeport 34 kann jede Art von Port sein, der dazu ausgelegt ist, Energie von der Ladestation 38 an das Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeport 34 kann elektrisch mit einer Ladestation oder einem fahrzeugseitigen Leistungsumwandlungsmodul 32 verbunden sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann die Energie konditionieren, die von der Ladestation 38 zugeführt wird, um der Antriebsbatterie 24 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann mit der Ladestation 38 eine Schnittstelle bilden, um die Lieferung von Energie an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der Ladestationsstecker 40 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeports 34 zusammenpassen. In anderen Ausführungsformen kann die Ladestation eine Induktionsladestation sein. Hier kann das Fahrzeug einen Empfänger umfassen, der mit einem Sender der Ladestation kommuniziert, um drahtlos elektrischen Strom zu empfangen.
Die verschiedenen erläuterten Komponenten weisen eine oder mehrere Steuerungen auf, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über dedizierte elektrische Leitungen kommunizieren. Die Steuerung umfasst im Allgemeinen eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, ASICs, ICs, Speicher (z. B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und/oder EEPROM) und Softwarecode, um miteinander zusammenzuwirken, um eine Reihe von Vorgängen auszuführen. Die Steuerung umfasst zudem vorgegebene Daten oder „Lookup-Tabellen“, die auf Berechnungen und Testdaten beruhen und in dem Speicher gespeichert werden. Die Steuerung kann über eine oder mehrere drahtgebundene oder drahtlose Fahrzeugverbindungen unter Verwendung üblicher Busprotokolle (z. B. CAN und LIN) mit anderen Fahrzeugsystemen und Steuerungen kommunizieren. Wie hierin verwendet, bezieht sich eine Bezugnahme auf „eine Steuerung“ auf eine oder mehrere Steuerungen.
Die Antriebsbatterie 24, der Fahrgastraum und andere Fahrzeugkomponenten werden mit einem oder mehreren Wärmemanagementsystemen wärmereguliert. Beispielhafte Wärmemanagementsysteme sind in den Figuren gezeigt und nachstehend beschrieben. Unter Bezugnahme auf 2 umfasst das Fahrzeug 12 ein Klimasteuerungssystem 50, das mindestens ein Kältemittelteilsystem 52 und ein Batterie-Kühlmittelteilsystem 54 aufweist. Teile der verschiedenen Wärmemanagementsysteme können innerhalb verschiedener Bereiche des Fahrzeugs angeordnet sein, wie beispielsweise des Motorraums und des Fahrgastraums.
Das Kältemittelteilsystem 52 stellt während einiger Betriebsmodi Klimatisierung des Fahrgastraums bereit und kühlt und/oder wärmt zudem während einiger Betriebsmodi die Batterie 24. Das Kältemittelteilsystem 52 kann eine Kompressionswärmepumpe sein, die ein Kältemittel zirkuliert, das Wärmeenergie an verschiedene Komponenten des Klimasteuerungssystem 50 überträgt. Das Kältemittelteilsystem 52 kann einen Fahrgastraumregelkreis 56 umfassen, der einen Verdichter 57, einen Außenwärmetauscher 58 (z. B. Verflüssiger), einen ersten Innenwärmetauscher 60 (z. B. vorderer Verdampfer), einen zweiten Innenwärmetauscher 62 (z. B. hinterer Verdampfer), einen Speicher, Anschlussstücke, Ventile, Expansionsorgane und andere Komponenten, die üblicherweise zu Kältemittelteilsystemen gehören, aufweist. Die Verdampfer können jeweils über ein zugehöriges Gebläse 61 verfügen. Der Verflüssiger 58 kann hinter dem Kühlergrill nahe der Vorderseite des Fahrzeugs angeordnet sein, und die Verdampfer können innerhalb eines oder mehrere HVAC-Gehäuse angeordnet sein. Es versteht sich, dass als „Verflüssiger“ bezeichnete Wärmetauscher auch als Verdampfer fungieren können, falls das Kältemittelteilsystem 52 eine Wärmepumpe ist. Ein Lüfter 59 kann Luft über den Verflüssiger 58 zirkulieren.
Die Komponenten des Fahrgastraumregelkreises 56 sind durch eine Vielzahl von Leitungen, Rohren, Schläuchen oder Kabeln in einem geschlossenen Regelkreis verbunden. Zum Beispiel verbindet eine erste Leitung 64 den Verdichter 57 und den Verflüssiger 58 in Fluidkommunikation, eine zweite Leitung 66 verbindet den Verflüssiger 58 mit dem Zwischenwärmetauscher 82, und die Leitung 67 verbindet die Verdampfer 60, 62 in Fluidkommunikation mit dem Wärmetauscher 82. Der vordere Verdampfer 60 ist über die Leitung 68 mit einer Leitung 67 verbunden, und der hintere Verdampfer 62 ist über die Leitung 70 mit der Leitung 67 verbunden. Ein erstes Expansionsorgan 78 ist an der Leitung 68 angeordnet und steuert den Kältemittelstrom zu dem vorderen Verdampfer 60. Das Expansionsorgan ist dazu ausgelegt, den Druck und die Temperatur des Kältemittels in dem Teilsystem 52 zu ändern. Das Expansionsorgan 78 kann ein Wärmeexpansionsventil mit einem elektronisch steuerbaren Absperrmerkmal sein oder es kann ein elektronisches Expansionsventil sein. Ein zweites Expansionsorgan 80 ist an der Leitung 70 angeordnet und steuert den Kältemittelstrom zu dem hinteren Verdampfer 62. Das zweite Expansionsorgan 80 kann dem ersten Expansionsorgan ähneln. Der vordere Verdampfer 60 ist über die Leitung 74 mit einer Rücklaufleitung 76 verbunden, und der hintere Verdampfer 62 ist über die Leitung 72 mit der Rücklaufleitung 76 verbunden. Die Rücklaufleitung 76 stellt eine Verbindung zwischen dem Wärmetauscher 82 und den Verdampfern her. Eine Leitung 77 stellt eine Verbindung zwischen dem Wärmetauscher 82 und dem Verdichter 57 her. Der Zwischenwärmetauscher 82 ist optional.
Das Klimasteuerungssystem 50 umfasst eine Steuerung 100 in elektronischer Kommunikation mit mehreren der Klimasteuerungskomponenten. Die gestrichelten Linien in 2 veranschaulichen elektrische Verbindungen zwischen der Steuerung 100 und den Komponenten. Die Steuerung kann wie vorstehend beschrieben über einen Datenbus oder dedizierte Kabel eine Schnittstelle mit den verschiedenen Komponenten bilden. Die Verdampfer 60, 62 umfassen jeweils einen Temperatursensor 84 beziehungsweise 86, der dazu ausgelegt ist, ein Signal, das die Temperatur des entsprechenden Verdampfers anzeigt, an die Steuerung 88 zu senden. Unter Verwendung dieser Temperatursignale und anderer Signale kann die Steuerung 88 die Betriebsbedingungen des Klimasteuerungssystems 50 bestimmen.
Das Kältemittelteilsystem 52 umfasst zudem einen Batterieregelkreis 89, der einen Kühler 90 und ein drittes Expansionsorgan 92 aufweist. Der Batterieregelkreis 89 kann eine Zulaufleitung 94 umfassen, die an dem Anschlussstück 96 mit der Leitung 66 verbunden ist und mit der Kältemittel-Einlassseite 101 des Kühlers 90 verbunden ist. Das Expansionsorgan 92 kann sich an der Zulaufleitung 94 befinden. Das Expansionsorgan 92 ist dazu ausgelegt, den Druck und die Temperatur des dadurch strömenden Kältemittels zu ändern. Das Expansionsorgan kann ein elektronisches Expansionsventil (EXV) sein, das ein Ventil aufweist, das eine Größe der Öffnung innerhalb des EXV verändert. Das EXV kann einen elektronischen Aktor (z. B. Schrittmotor) umfassen, der dazu ausgelegt ist, das Ventil dazu zu betätigen, die Größe der Öffnung zu erhöhen oder zu senken. Der Aktor wird durch die Steuerung 100 gesteuert. Die Steuerung 100 kann den Aktor dazu anweisen, das Expansionsorgan in einer weit geöffneten Position, einer vollständig geschlossenen Position oder einer gedrosselten Position anzuordnen. Die gedrosselte Position ist eine teilweise geöffnete Position, in der die Steuerung die Größe der Ventilöffnung anpasst, um den Strom durch das Expansionsorgan zu regulieren. Die Steuerung 100 und das Expansionsorgan können dazu ausgelegt sein, die gedrosselte Position als Reaktion auf Systembetriebsbedingungen kontinuierlich oder periodisch anzupassen. Durch Ändern der Öffnung innerhalb des Expansionsorgans kann die Steuerung Strom, Druck, Temperatur und Zustand des Kältemittels nach Bedarf regulieren. Eine Rücklaufleitung 98 verbindet den Batteriekühler 90 mit dem Fahrgastraumregelkreis 56. Die Rücklaufleitung 98 ist an einem Ende mit der Kältemittel-Auslassseite 102 des Kühlers und an dem anderen Ende mit der Leitung 76 verbunden.
Das Fahrzeug umfasst zudem ein Batterie-Wärmemanagementsystem, das in einer Vielzahl von unterschiedlichen Modi arbeitet, wie etwa einem Batterieheizmodus oder Batteriekühlmodus. Das Batterie-Wärmemanagementsystem umfasst ein Batterie-Kühlmittelteilsystem 54 (gezeigt), das Wärme über den Kühler 90 an das Kältemittelteilsystem 52 abführt, und einen Autokühlerregelkreis (nicht gezeigt), der Wärme über einen Autokühler an die Umgebungsluft abführt. Diese zwei Regelkreise können in Abhängigkeit von den Batteriekühlungsanforderungen, der Umgebungstemperatur und anderen Faktoren zusammen oder unabhängig voneinander arbeiten.
Das Batterie-Kühlmittelteilsystem 54 verbindet die Antriebsbatterie 24 und den Kühler 90 in Fluidkommunikation. Das Teilsystem 54 umfasst eine Pumpe 104, die an einer ersten Leitung 106 angeordnet ist, die eine Verbindung zwischen der Batterie 24 und der Kühlmittel-Einlassseite 114 des Kühlers 90 herstellt. Eine zweite Leitung 108 stellt eine Verbindung zwischen der Kühlmittel-Auslassseite 116 und der Batterie 24 her. Ein Kühlmittel-Einlasstemperatursensor 110 ist an der Leitung 106 nahe der Einlassseite 114 angeordnet. Der Sensor 110 ist dazu ausgelegt, ein Signal an die Steuerung 100 auszugeben, das eine Temperatur des Kühlmittels anzeigt, das in den Kühler 90 zirkuliert. Ein Kühlmittel-Auslasstemperatursensor 112 ist an der Leitung 108 nahe der Auslassseite 116 angeordnet. Der Sensor 112 ist dazu ausgelegt, ein Signal an die Steuerung 100 auszugeben, das eine Temperatur des Kühlmittels anzeigt, das aus dem Kühler 90 austritt.
Der Batteriekühler 90 kann eine beliebige geeignete Auslegung aufweisen. Zum Beispiel kann der Kühler 90 über eine Wirbelzellen-, Rippenrohr- oder Rohrbündelauslegung verfügen, welche die Übertragung von Wärmeenergie erleichtert, ohne dass die Wärmeträgerfluids in dem Kühlmittelteilsystem 54 und dem Kältemittelteilsystem 52 gemischt werden.
In Systemen, bei denen der Batteriekühler mit einem Fahrgastraum-Klimatisierungssystem (wie etwa dem Kältemittelteilsystem 52) in Fluidkommunikation steht, ist ein Potential für negativen Einfluss auf die Temperatur des Fahrgastraums möglich, falls das Klimatisierungssystem keine ausreichende Kapazität aufweist, um sowohl den Fahrgastraum als auch die Batterie bei ihren jeweiligen Lasten zu kühlen. Zum Beispiel kann an einem heißen Tag gleichzeitiges Kühlen der Batterie und des Fahrgastraums über das Klimatisierungssystem dazu führen, dass die Auslasstemperatur des Fahrgastraumverdampfers über eine Solltemperatur hinaus steigt, was dazu führt, dass die in den Fahrgastraum strömende Luft wärmer ist, als durch den Fahrer angefordert. Die Insassen des Fahrgastraums können es als unbefriedigend empfinden, wenn die Fahrgastraumtemperatur nicht der Bedarfstemperatur entspricht. Demnach müssen sich Autohersteller in Situationen, in denen die kombinierte Last die Kapazität überschreitet, dazwischen entscheiden, dem Bedarf in Bezug auf den Fahrgastraum nachzukommen beziehungsweise dem Bedarf in Bezug auf die Batterie nachzukommen.
In einer Ausführungsform ist das System dazu gestaltet, den Bedarf in Bezug auf den Fahrgastraum und den Bedarf in Bezug auf die Batterie im Gleichgewicht zu halten. Hier ist die Steuerung dazu ausgelegt, eine Kapazität des Klimatisierungssystems zum Aufnehmen von Batteriewärme zu bestimmen (hierin als „Kühlerkapazität“ bezeichnet), und auf Grundlage der Kühlerkapazität eine angemessene Menge von Kältemittel durch den Kühler 90 zu leiten, um diese Kapazität bereitzustellen. In der veranschaulichten Ausführungsform wird das EXV 92 dazu verwendet, den prozentualen Anteil von Kältemittel, das zu dem Kühler 90 strömt, gegenüber dem prozentualen Anteil von Kühlmittel, das den Kühler über die Leitung 68 oder 70 umgeht, zu steuern. In Abhängigkeit von den Bedingungen des Fahrgastraum-Klimatisierungssystems 52 kann das EXV 92 jeden beliebigen Wert zwischen null und 100 Prozent des Kältemittels zu dem Kühler senden.
Falls keine Kühlerkapazität verfügbar ist, kann das Batterie-Kühlmittelsystem versuchen, die Batterie unter Verwendung eines Autokühlers in Verbindung mit einem Lüfter zu kühlen. In einigen Fällen können der Autokühler und Lüfter nicht dazu in der Lage sein, eine ausreichend niedrige Batterie-Kühlmitteltemperatur für eine bestimmte Batterielast zu erreichen. Um Überhitzung zu vermeiden, kann die Steuerung die Leistung der Batterie begrenzen, um Überhitzung zu vermeiden.
Die Kühlerkapazität ist die Menge von Wärmeenergie, die zwischen dem Kältemittelteilsystem 52 und dem Kühlmittelteilsystem 54 innerhalb des Kühlers verläuft. Die Kühlerkapazität kann unter Verwendung von Gleichung 1 berechnet werden: Q = ṁ·C_p(|T_ein – T_aus|), wobei ṁ der Durchfluss des Kühlmittels ist, C_pdie spezifische Wärme ist, T_aus die Temperatur des aus dem Kühler austretenden Kühlmittels ist und T_ein die Temperatur des in den Kühler eintretenden Kühlmittels ist. Ein Sollwert der Kühlerkapazität kann in Abhängigkeit der Gestaltungsphilosophie durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren bestimmt werden. Wird beispielsweise der Fahrgastraum priorisiert, so wird der Sollwert für die Kühlerkapazität durch die Kältemittelteilsystemkapazität minus der Summe aus allen Verdampferkapazitäten bestimmt. Alternativ könnte die Kühlerkapazität auf Grundlage von Batteriekühlungsanforderungen festgelegt werden, oder sie kann auf Grundlage einer Kapazität festgelegt werden, welche die Verdampfertemperatur bekanntlich nicht über einen Schwellenwert hinaus erhöht. Zum Beispiel kann das Kältemittelteilsystem 52 eine Gesamtkapazität von 5000 Watt (W) aufweisen und die Kühlerkapazität kann bei 1000 W festgelegt werden, was wie durch Fahrzeugtests bestimmt auch bei hohen Lasten der Fahrgastraumklimatisierung die Verdampfertemperatur nicht über einen Schwellenwert hinaus erhöht. Selbstverständlich sind diese Werte nicht einschränkend und variieren in Abhängigkeit von dem Kältemittelteilsystem. Die Steuerung kann eine oder mehrere Lookup-Tabellen enthalten, die eine Vielzahl von unterschiedlichen Kühlerkapazitäten aufweisen, die unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen verwendet werden.
Die Steuerlogik oder die von der Steuerung 100 ausgeführten Funktionen können in einer oder mehreren Figuren durch Ablaufdiagramme oder ähnliche Diagramme dargestellt sein. Diese Figuren stellen repräsentative Steuerstrategien und/oder eine repräsentative Steuerlogik bereit, welche unter Verwendung einer oder mehrerer Verarbeitungsstrategien umgesetzt werden können bzw. kann, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multi-Tasking, Multi-Threading und dergleichen. Demnach können verschiedene veranschaulichte Schritte oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel durchgeführt oder in manchen Fällen weggelassen werden. Wenngleich nicht immer ausdrücklich veranschaulicht, wird ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass eine(r) oder mehrere der veranschaulichten Schritte oder Funktionen wiederholt durchgeführt werden können, je nach konkret eingesetzter Verarbeitungsstrategie. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht notwendigerweise erforderlich, um die hierin beschriebenen Merkmale und Vorteile zu erreichen, sondern soll die Veranschaulichung und Beschreibung erleichtern. Die Steuerlogik kann hauptsächlich in Software implementiert sein, welche durch eine mikroprozessorbasierte Fahrzeug-, Motor- und/oder Antriebsstrangsteuerung, wie etwa die Steuerung 100, ausgeführt wird. Selbstverständlich kann die Steuerlogik in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung in Software, Hardware oder einer Kombination aus Software und Hardware in einer oder mehreren Steuerungen implementiert sein. Bei einer Implementierung in Software kann die Steuerlogik in einer bzw. einem oder mehreren computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien bereitgestellt sein, auf denen Daten gespeichert sind, welche Code oder Anweisungen darstellen, der bzw. die durch einen Computer zum Steuern des Fahrzeugs oder seiner Teilsysteme ausgeführt wird bzw. werden. Die computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien können eine oder mehrere einer Reihe von bekannten physikalischen Vorrichtungen umfassen, welche ausführbare Anweisungen und zugehörige Kalibrierungsinformationen, Betriebsvariablen und dergleichen elektronisch, magnetisch und/oder optisch speichern.
3 ist ein Ablaufdiagramm 150 eines Algorithmus zum Steuern des EXV 92, wenn die Batterie durch den Kühler 90 gekühlt wird. Bei Vorgang 152 bestimmt die Steuerung, ob die Antriebsbatterietemperatur eine obere Schwellentemperatur überschreitet oder dieser entspricht. Falls nicht, so erfordert die Batterie keine Kühlung über den Kühler, und die Steuerung kehrt zum Anfang zurück. Falls ja, so bestimmt die Steuerung als Nächstes, ob Fahrgastraumklimatisierung durch einen Fahrzeuginsassen angefordert wird. Falls die Klimatisierung AUS ist, so geht die Steuerung zu Vorgang 156 über, und das EXV 92 wird auf Grundlage der Batteriebedürfnisse in eine kalibrierte Position betätigt. Falls die Klimatisierung AN ist, so geht die Steuerung zu Vorgang 158 über, und die Steuerung bestimmt, ob eine gemessene Verdampfertemperatur eine Soll-Verdampfertemperatur überschreitet oder dieser entspricht. Die Soll-Verdampfertemperatur kann die obere Grenztemperatur sein, wie etwa zwischen 6 und 10 Grad Celsius, die sicherstellt, dass das Kältemittelsystem über die Kapazität zum Kühlen des Fahrgastraums verfügt. Falls die gemessene Verdampfertemperatur über der Solltemperatur liegt, so ist die in den Fahrgastraum strömende Luft wärmer als durch die Insassen angefordert, was unerwünscht ist. Falls die gemessene Verdampfertemperatur die Soll-Verdampfertemperatur überschreitet, so geht die Steuerung zu 160 über, und das EXV 92 wird geschlossen oder bleibt geschlossen, da das Kältemittelsystem keinerlei Kapazität zum Aufnehmen von Batteriewärme über den Kühler 90 aufweist. Das Fahrzeug kann weitere Steuerungen umfassen, die in Notsituationen eingesetzt werden, in denen Batteriekühlung über Fahrgastraumkühlung priorisiert wird. Bei diesen Strategien kann das EXV geöffnet werden, obwohl die Verdampfertemperatur den Sollwert überschreitet.
Falls ja bei Vorgang 158, so geht die Steuerung zu Vorgang 162 über, und die Steuerung bestimmt, ob das EXV geöffnet ist. Falls nein, so geht die Steuerung zu Vorgang 164 über, und der Kühler wird in eine kalibrierte Position angeschaltet. Die Steuerung 100 kann eine oder mehrere Lookup-Tabellen umfassen, die eine Vielzahl von kalibrierten Positionen enthalten, die dazu festgelegt sind, eine Soll-Kühlerkapazität bereitzustellen. Die Soll-Kühlerkapazität kann auf der gemessenen Verdampfertemperatur aus Vorgang 158 beruhen. Die gemessene Kühlerkapazität kann zudem auf der Temperaturdifferenz zwischen einer Soll-Batterietemperatur und der Temperatur des aus dem Kühler austretenden Kühlmittels (T_aus) beruhen. Die Soll-Kühlerkapazität ist die erwartete Temperaturdifferenz zwischen der Batterie und T_aus. Falls ja bei Vorgang 162, so geht die Steuerung zu Vorgang 166 über, und die Position des EXV wird auf Grundlage einer Temperatur des Batteriekühlmittels eingestellt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben.
Bei Vorgang 168 misst die Steuerung eine Temperatur (T_ein) des in den Kühler eintretenden Kühlmittels, und bei Vorgang 170 misst die Steuerung die Temperatur (T_aus) des aus dem Kühler austretenden Kühlmittels. Zum Beispiel empfängt die Steuerung 100 Signale von den Temperatursensoren 110 und 112, um die gemessenen Temperaturen des Kühlmittels zu bestimmen. Bei Vorgang 172 bestimmt die Steuerung den Durchfluss des Kühlmittels in dem Batterie-Kühlmittelteilsystem 54. Der Durchfluss kann von der Pumpe 104 abgeleitet werden, oder das System kann einen Durchflusssensor umfassen. Unter Verwendung der gemessenen Werte aus Vorgang 168 bis 172 ist die Steuerung dazu in der Lage, unter Verwendung von Gleichung 1 eine gemessene Kühlerkapazität zu berechnen. Bei Vorgang 174 bestimmt die Steuerung, ob die gemessene Kühlerkapazität die Sollkapazität überschreitet oder dieser entspricht. Falls ja, so wird zu viel Wärme von der Batterie an das Kältemittelteilsystem übertragen. Bei Vorgang 176 wird die Öffnung des EXV auf Grundlage der Differenz zwischen der gemessenen Kapazität und der Sollkapazität eingestellt (d. h. die Öffnung wird verkleinert). Falls nein bei Vorgang 174, so geht die Steuerung wieder zu Vorgang 158 über, und die Steuerung bestimmt, ob die gemessene Verdampfertemperatur die Soll-Verdampfertemperatur überschreitet oder dieser entspricht.
Falls ja bei Vorgang 158, so geht die Steuerung zu Vorgang 166 über, da das EXV bereits geöffnet ist. Bei Vorgang 166 betätigt die Steuerung das EXV (d. h. die Öffnung des EXV wird vergrößert) auf Grundlage der Differenz zwischen der gemessenen Kapazität und der Sollkapazität. Sobald das EXV betätigt wird, geht die Steuerung zu Vorgang 168 bis 176 über. Dieser Algorithmus kann in vorgegebenen Intervallen wiederholt werden, bis die Steuerungen beendet werden.
4 ist ein Ablaufdiagramm 200 eines weiteren Algorithmus zum Steuern des EXV 92, wenn die Batterie durch den Kühler 90 gekühlt wird. Dieser Algorithmus ähnelt dem nach Ablaufdiagramm 150 insofern, als dass die Steuerung die Position des EXV auf Grundlage der Temperatur des Kühlmittels anpasst. Bei Vorgang 202 bestimmt die Steuerung, ob die Antriebsbatterietemperatur eine Schwellentemperatur überschreitet oder dieser entspricht. Falls nein, so ist keine Batteriekühlung durch den Kühler erforderlich, und die Steuerung geht zum ANFANG über. Falls ja, so geht die Steuerung zu Vorgang 204 über, und die Steuerung bestimmt, ob die Fahrgastraumklimatisierung AN ist. Falls die Klimatisierung AUS ist, so geht die Steuerung zu Vorgang 205 über, und das EXV wird auf Grundlage des Batteriebedarfs in eine kalibrierte Position betätigt. Falls die Klimatisierung AN ist, so geht die Steuerung zu Vorgang 206 über, und die Steuerung bestimmt, ob die gemessene Verdampfertemperatur innerhalb eines Temperaturarbeitsbereichs liegt. Falls die gemessene Verdampfertemperatur zu heiß oder zu kalt ist, so kehrt die Steuerung zum Anfang zurück.
Falls die gemessene Verdampfertemperatur innerhalb des Arbeitsbereichs liegt, so geht die Steuerung zu Vorgang 208 über. Anstatt die Steuerung dazu zu programmieren, eine gemessene Kühlerkapazität mit einer Soll-Kühlerkapazität zu vergleichen, um das EXV 92 zu steuern, kann die Steuerung dazu programmiert werden, unter Verwendung von Gleichung 1 eine Soll-Temperaturdifferenz zwischen in den Kühler eintretendem Kühlmittel T_ein und aus dem Kühler austretendem Kühlmittel T_aus zu berechnen, wobei eine Soll-Kühlerkapazität als Q verwendet wird. Da Q, ṁ (die Pumpe kann eine einzige Drehzahl aufweisen, wodurch ṁ zu einer Konstanten wird, oder ṁ könnte vor Vorgang 208 bestimmt werden) und C_p Konstanten sind, kann die Steuerung einen Sollwert |T_ein – T_aus| bestimmen, was bei Vorgang 208 erfolgt.
Die Soll-Temperaturdifferenz kann auf Grundlage der optimalen Batteriebetriebstemperatur (OptBat) und der Temperatur des aus dem Kühler austretenden Kühlmittels (T_aus) bestimmt werden. In einer Ausführungsform ist die Soll-Temperaturdifferenz OptBat – T_aus.
Bei Vorgang 210 und 212 misst die Steuerung die Kühlmitteltemperaturen über die Sensoren und bestimmt T_aus und T_ein. Bei Vorgang 216 bestimmt die Steuerung, ob die gemessene Temperaturdifferenz die Soll-Temperaturdifferenz überschreitet oder dieser entspricht. Falls ja, so wird die Öffnung des EXV 92 auf Grundlage von |T_ein – T_aus| bei Vorgang 218 verkleinert. Falls nein, so wird die Öffnung des EXV auf Grundlage von |T_ein – T_aus| bei Vorgang 220 vergrößert.
Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, welche die Patentansprüche umschließen. Die in der Patentschrift verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben sein können, dass sie gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen auf dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften Vorteile bereitstellen oder bevorzugt sind, wird ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erreichen, welche von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Diese Attribute können unter anderem Folgendes umfassen: Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, bequeme Montage usw. Daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen auf dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Fahrzeug, umfassend: ein Kältemittelsystem, umfassend einen Kühler und ein elektronisches Expansionsventil (EXV), das dazu angeordnet ist, Kältemittel selektiv zu dem Kühler zu leiten; ein Kühlmittelsystem, das dazu angeordnet ist, Kühlmittel durch eine Antriebsbatterie und den Kühler zu zirkulieren; und eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, als Reaktion darauf, dass das EXV geöffnet ist und Fahrgastraumklimatisierung angefordert wird, eine Öffnung des EXV auf Grundlage einer Differenz zwischen einer gemessenen Kühlerkapazität und einer Soll-Kühlerkapazität einzustellen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Kühlmittelsystem ferner Kühlmitteltemperatursensoren am Kühlereinlass und -auslass umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die gemessene Kühlerkapazität auf Grundlage von Signalen berechnet wird, die von den Kühlmitteltemperatursensoren am Einlass und Auslass empfangen werden.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, das EXV als Reaktion darauf, dass die Batterie eine Schwellentemperatur überschreitet, bis in eine vorgegebene Position zu öffnen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Öffnung des EXV als Reaktion darauf, dass die gemessene Kühlerkapazität unter der Soll-Kühlerkapazität liegt, vergrößert wird.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei die Öffnung des EXV als Reaktion darauf, dass die gemessene Kühlerkapazität die Soll-Kühlerkapazität überschreitet, verkleinert wird.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Einstellung des EXV auf ein vorgegebenes Ausmaß begrenzt ist.