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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerstrategie und ein Steuerverfahren zum Betätigen von einem Ventil eines Batteriekühlmittelsystems, um einen Kühlmittelstrom zu einer Batteriekühleinrichtung zu steuern, die einem Klimaanlagensystem eines Fahrzeugs zugeordnet ist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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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 vollständig beseitigen. Elektro- und Hybridfahrzeuge sind eine Fahrzeugart, welche für diesen Zweck gerade entwickelt wird. Elektro- und Hybridfahrzeuge umfassen einen Fahrmotor, der durch eine Antriebsbatterie mit Energie versorgt wird. Die Antriebsbatterie erfordern ein Wärmemanagementsystem zur Wärmeregulierung der Temperatur der Batteriezellen.
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KURZDARSTELLUNG
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Nach einer Ausführungsform umfasst ein Fahrzeug eine Antriebsbatterie, ein Kältemittelsystem, das eine Kühleinrichtung umfasst, und ein Kühlmittelsystem. Das Kühlmittelsystem weist einen Kanal, der angeordnet ist, um Kühlmittel durch die Kühleinrichtung und einen Autokühler zu zirkulieren, und ein Ventil auf, das konfiguriert ist, um das Kühlmittel selektiv zu zumindest einem von der Kühleinrichtung und dem Autokühler zu leiten. Eine Steuerung ist konfiguriert, um als Reaktion darauf, dass ein Kältemittelsystem EINGESCHALTET ist, das Ventil zu betätigen, um einen Anteil des Kühlmittels auf Grundlage einer Kühleinrichtungskapazität an eine Kühleinrichtung zu leiten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Fahrzeug Folgendes: eine Antriebsbatterie; ein Kältemittelsystem, das einen Verdichter, einen Verflüssiger, eine Batteriekühleinrichtung und einen Fahrgastkabinenverdampfer aufweist; und ein Kühlmittelsystem. Das Kühlmittelsystem umfasst ein Proportionalventil, das einen Einlass, der in Fluidverbindung mit einer Auslassseite der Batterie verbunden ist, und ein Paar aus einem ersten und zweiten Auslass aufweist. Das Ventil ist derart konfiguriert, dass jeder von den Auslässen selektiv einen Anteil des Kühlmittels empfängt, der abhängig von einer Position des Ventils in das Ventil strömt. Das Kühlmittelsystem umfasst ferner einen Kühleinrichtungsregelkreis, der in Fluidverbindung mit dem ersten Auslass des Proportionalventils verbunden und angeordnet ist, um Kühlmittel zwischen der Batterie und der Kühleinrichtung zu transportieren, um Wärme von dem Kühlmittelsystem zu dem Kältemittelsystem zu übertragen. Das Kühlmittelsystem umfasst außerdem einen Autokühlerregelkreis, der in Fluidverbindung mit dem zweiten Auslass des Proportionalventils verbunden und angeordnet ist, um Kühlmittel zwischen der Batterie und einem Autokühler zu transportieren, um Wärme von dem Kühlmittelsystem in die Außenluft zu übertragen. Eine Fahrzeugsteuerung ist konfiguriert ist, um als Reaktion darauf, dass das Kältemittelsystem EINGESCHALTET ist, das Proportionalventil zu betätigen, um das Kühlmittel derart zwischen dem ersten und zweiten Auslass aufzuteilen, dass eine Wärmeübertragung durch die Kühleinrichtung auf eine Kühleinrichtungskapazität beschränkt ist.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Steuern eines Wärmemanagementsystems einer Antriebsbatterie dargestellt. Das Verfahren umfasst das Aktivieren eines Kältemittelteilsystems, sodass Kältemittel durch eine Kühleinrichtung und einen Verdampfer zirkuliert. Das Verfahren umfasst ferner das Aktivieren eines Batteriekühlmittelteilsystems, sodass Kühlmittel durch die Antriebsbatterie, einen Autokühler, die Kühleinrichtung und ein Proportionalventil zirkuliert. Das Verfahren umfasst außerdem das Betätigen des Proportionalventils, sodass das Kühlmittel zwischen dem Autokühler und der Kühleinrichtung auf Grundlage der Kühleinrichtungskapazität aufgeteilt wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Beispielhybridfahrzeugs.
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2 ist eine schematische Darstellung eines Batteriewärmemanagementsystems und eines Klimasteuerungssystems eines Fahrzeugs.
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3 ist eine Tabelle mit Klimalasten.
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4 ist eine Tabelle mit Kühleinrichtungskapazitäten.
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5 ist ein Ablaufdiagramm zum Steuern des Batterie-Wärmemanagementsystems.
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6 ist ein Ablaufdiagramm zum Umsetzen der Kühleinrichtungskapazität in eine Ventilposition des Proportionsventils.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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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. Demnach sind hierin offenbarte spezifische 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 wünschenswert sein.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugs (PHEV). Bestimmte Ausführungsformen können jedoch auch im Kontext von Nicht-Plug-in-Hybridfahrzeugen und vollelektrischen Fahrzeugen umgesetzt werden. Das Fahrzeug 12 umfasst eine oder mehrere elektrische Maschinen 14, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 16 verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 14 können dazu in der Lage sein, als Motor oder Generator zu arbeiten. Zusätzlich kann das Hybridgetriebe 16 mechanisch mit einem Motor 18 verbunden sein. Das Hybridgetriebe 16 kann ebenfalls mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden sein, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Die elektrischen Maschinen 14 können Antriebs- und Abbremsfähigkeit bereitstellen, wenn der Motor 18 an- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 14 fungieren auch als Generatoren und können Vorteile bei der Kraftstoffeffizienz bereitstellen, indem Energie durch generatorisches Bremsen rückgewonnen wird. Die elektrischen Maschinen 14 reduzieren Schadstoffemissionen und erhöhen die Kraftstoffeffizienz, indem sie die Arbeitslast des Motors 18 reduzieren.
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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.
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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 sich Ionen 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.
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Unterschiedliche Batteriepackkonfigurationen können verfügbar sein, 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.
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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 gefordert wird. Die Beschreibung hierin gilt gleichermaßen für ein vollelektrisches Fahrzeug. Für ein vollelektrisches Fahrzeug kann das Hybridgetriebe 16 ein Getriebekasten sein, der mit einer elektrischen Maschine 14 verbunden ist, und der Motor 18 ist nicht vorhanden.
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Neben dem Bereitstellen von Energie für den Antrieb kann die Antriebsbatterie 24 Energie für weitere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichspannungswandlermodul 28 umfassen, das den Hochspannungsgleichstromausgang der Antriebsbatterie 24 in eine Niederspannungsgleichstromversorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeugkomponenten kompatibel ist. Andere Hochspannungslasten, wie etwa Verdichter 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 einer Hilfsbatterie 30 (z. B. einer 12-Volt-Batterie) verbunden.
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Ein Batterieenergiesteuermodul (BECM) 33 kann mit der Antriebsbatterie 24 in Verbindung stehen. Das BECM 33 kann als eine Steuerung für die Antriebsbatterie 24 fungieren und kann außerdem ein elektronisches Überwachungssystem umfassen, das die Temperatur und den Ladestatus für jede der Batteriezellen verwaltet. Die Antriebsbatterie 24 kann einen Temperatursensor 31 aufweisen, wie etwa einen Thermistor oder einen anderen Temperatursensor. Der Temperatursensor 31 kann mit dem BECM 33 in Verbindung stehen, um Temperaturdaten in Bezug auf die Antriebsbatterie 24 bereitzustellen.
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Das Fahrzeug 12 kann durch eine mit einer externen Leistungsquelle 36 verbundenen Ladestation wieder aufgeladen werden. Die externe Leistungsquelle 36 kann elektrisch mit einem Elektrofahrzeugversorgungsgerät (EVSE) 38 verbunden sein. Die externe Leistungsquelle 36 kann dem EVSE 38 elektrische Leistung als Gleichstrom oder Wechselstrom bereitstellen. Das EVSE 38 kann einen Ladestecker 40 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Ladeanschluss 34 kann jede Art von Anschluss sein, der konfiguriert ist, um Leistung von dem EVSE 38 an das Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeanschluss 34 kann elektrisch mit einer Ladestation oder einem fahrzeugseitigen Leistungsumwandlungsmodul 32 verbunden sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann die Leistung konditionieren, die von dem EVSE 38 bereitgestellt wird, um der Antriebsbatterie 24 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann mit dem EVSE 38 eine Schnittstelle bilden, um die Leistungszufuhr an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 40 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlusses 34 zusammenpassen.
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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 vorbestimmte Daten oder „Lookup-Tabellen“, die auf Berechnungen und Testdaten basieren und in dem Speicher gespeichert sind. 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.
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Die Antriebsbatterie 24 und eine andere Fahrzeugkomponente werden mit einem oder mehreren Wärmemanagementsystemen wärmereguliert. Beispielhafte Wärmemanagementsysteme sind in den Figuren gezeigt und nachstehend beschrieben. Unter Bezugnahme auf 2 umfasst ein Fahrzeug 12 ein Wärmemanagementsystem 56. Das Wärmemanagementsystem 56 kann verwendet werden, um Wärmelast, die durch verschiedene Fahrzeugkomponenten erzeugt wird, wie etwa die Batteriebaugruppe 24, Antriebsstrangkomponenten und Leistungselektronikkomponenten, zu verwalten. Das Wärmemanagementsystem 56 kann zum Beispiel selektiv Kühlmittel zu der Batteriebaugruppe 24 zirkulieren, um die Batteriebaugruppe abhängig von Betriebsbedingungen entweder zu kühlen oder zu erwärmen.
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Das Wärmemanagementsystem 56 kann eine oder mehrere Fahrzeugsteuerungen 78 umfassen. Während die Steuerung 78 in der dargestellten Ausführungsform schematisch als ein einziges Modul gezeigt ist, kann diese Teil eines größeren Steuersystems sein und kann durch verschiedene andere Steuerungen im gesamten Fahrzeug gesteuert werden, wie etwa eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC), die eine Antriebsstrangsteuereinheit, eine Getriebesteuereinheit, eine Motorsteuereinheit, ein BECM usw. umfasst. Es versteht sich, dass die Steuerung 78 und eine oder mehrere Steuerungen zusammen als „eine Steuerung“ bezeichnet werden können, die verschiedene Aktoren als Reaktion auf Signale von verschiedenen Sensoren steuern, wie etwa durch eine Vielzahl von integrierten Algorithmen, um dem Fahrzeug und in diesem Fall dem Wärmemanagementsystem 56 zugeordnete Funktionen zu steuern. Die verschiedenen Steuerungen, die die VSC ausmachen, können miteinander unter Verwendung eines gemeinsamen Bus-Protokolls (z. B. CAN) kommunizieren.
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In einer Ausführungsform umfasst das Batterie-Wärmemanagementsystem 56 ein Kühlmittelteilsystem 58 und ein Kältemittelteilsystem 60. Diese zwei Regelkreise können in Abhängigkeit von den Batteriekühlungsanforderungen, der Umgebungslufttemperatur und anderen Faktoren zusammen oder unabhängig voneinander arbeiten. Das Kältemittelteilsystem 60 kann eine Kompressionswärmepumpe sein, die ein Kältemittel zirkuliert, das Wärmeenergie an verschiedene Komponenten des Klimasteuerungssystems überträgt. Das Kältemittelteilsystem 60 kann das Klimaanlagensystem (AC-System) für den Fahrgastraum sein. Das Verwenden des Fahrgastraum-AC kann kostengünstiger sein, als ein dediziertes Kältemittelsystem für die Antriebsbatterie 24 zu haben. Das Kühlmittelteilsystem 58 bzw. der Kühlmittelregelkreis zirkuliert Kühlmittel zu der Batteriebaugruppe 24. Bei dem Kühlmittel kann es sich um eine herkömmliche Art einer Kühlmittelmischung handeln, wie etwa um mit Ethylenglykol vermischtes Wasser. Andere Kühlmittel können ebenfalls durch das Kühlmittelteilsystem 58 verwendet werden. Das Kühlmittelteilsystem 58 kann einen Autokühler 64, ein Proportionalventil 66, eine Pumpe 68, einen Kühlmitteleinlasstemperatursensor 70, die Batterie 24, einen Kühlmittelauslasstemperatursensor 99 und eine Kühleinrichtung 76 umfassen. Das Kühlmittelteilsystem 58 kann außerdem zusätzliche Komponenten umfassen.
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Im Betrieb tritt warmes Kühlmittel aus einem Auslass 63 der Batterie 24 aus. Das warme Kühlmittel wird über eine Leitung 72 zu dem Autokühler 64 zirkuliert, wenn sich das Ventil 66 in einem ersten Satz von Positionen befindet. Das warme Kühlmittel wird in dem Autokühler 64 durch einen Luftstrom gekühlt, der über die Rippen strömt, um eine Wärmeübertragung zwischen dem Luftstrom und dem warmen Kühlmittel zu erzielen. Kühles Kühlmittel tritt aus dem Autokühler 64 aus und tritt in eine Leitung 67 ein, um zu der Pumpe 68 rückgeführt zu werden. Der Autokühler 64 und zumindest ein Teil der Leitungen 67 und 79 können als der Autokühlerregelkreis bezeichnet werden.
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Der Sensor 70 kann nahe einem Einlass 61 des Batteriepacks 24 positioniert sein. Der Sensor 70 ist konfiguriert, um die Temperatur des Kühlmittels zu überwachen, das zu dem Batteriepack 24 zurückgeleitet wird. In einigen Ausführungsformen können mehrere Sensoren verwendet werden, um die Kühlmitteltemperatur an verschiedenen Stellen zu messen. Der Batteriepack 24 kann außerdem einen oder mehrere Sensoren 65 umfassen. Die Sensoren 65 überwachen die Temperaturen von verschiedenen Batteriezellen (nicht gezeigt) des Batteriepacks 24.
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Das Kühlmittelteilsystem 58 umfasst einen Kühleinrichtungsregelkreis 74, der eine Leitung 75 umfasst, die die Leitung 72 und die Leitung 67 verbindet. Die Leitung 75 ermöglicht es Kühlmittel, den Autokühler 64 zu umgehen und stattdessen durch die Kühleinrichtung 76 zu zirkulieren. Das Ventil 66 steuert die Zirkulation des Kühlmittels durch die Kühleinrichtung 76 und den Autokühler 64. Das Ventil 66 kann ein Magnetventil sein, das durch die Steuerung 78 elektrisch gesteuert wird. Das Ventil 66 kann einen Schrittmotor zum Vergrößern oder Verkleinern der Öffnung des Ventils umfassen. Andere Arten von Ventilen können alternativ in dem Kühlmittelsystem 58 verwendet werden. Das Ventil 66 umfasst Folgendes: einen Einlass 71, der mit einer Leitung 72 verbunden ist, einen ersten Auslass 73, der mit einer Leitung 79 verbunden ist, und einen zweiten Auslass 77, der mit einer Leitung 75 verbunden ist. Das Ventil 66 ist derart konfiguriert, dass jeder von den Auslässen 73, 77 selektiv einen Anteil des Kühlmittels zwischen 0 und 100 Prozent einschließlich empfängt, der abhängig von einer Position des Ventils durch das Ventil 66 strömt. Durch das Anpassen des Anteils an Kühlmittel, der zwischen den Auslässen aufgeteilt ist, kann die Menge an Kühlmittel, die durch die Kühleinrichtung 76 und den Autolüfter 64 strömt, gemäß in einem Speicher der Steuerung 78 gespeicherten Algorithmen gesteuert werden.
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Die Kühleinrichtung 76 tauscht mit dem Kältemittelteilsystem 60 Wärme aus, um während bestimmten Bedingungen ein gekühltes Kühlmittel bereitzustellen. Wenn zum Beispiel die Batterietemperatur einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet und das Fahrgastraum-AC-System 60 eine Kapazität aufweist, kann das Ventil 66 betätigt werden, um zumindest einiges Kühlmittel zu der Kühleinrichtung 76 zu zirkulieren. Ein Teil des warmen Kühlmittels von dem Batteriepack 24 kann in die Kühleinrichtungsleitung 75 eintreten und Wärme mit einem Kältemittel des Kältemittelteilsystems 60 in der Kühleinrichtung 76 austauschen, um Wärme abzuleiten.
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Die Batteriekühleinrichtung 76 kann eine beliebige geeignete Konfiguration aufweisen. Zum Beispiel kann die Kühleinrichtung 76 eine Wirbelzellen-, Rippenrohr- oder Rohrbündelkonfiguration aufweisen, welche die Übertragung von Wärmeenergie erleichtert, ohne dass die Wärmeträgerfluids in dem Kühlmittelteilsystem 58 und dem Kältemittelteilsystem 60 gemischt werden.
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Das Kältemittelteilsystem 60 kann Folgendes umfassen: einen Verdichter 80, einen Verflüssiger 82, zumindest einen Fahrgastraumverdampfer 84, die Kühleinrichtung 76, eine erste Expansionsvorrichtung 86, ein Absperrventil 87, eine zweite Expansionsvorrichtung 88 und ein zweites Absperrventil 91. Der Verdichter 80 setzt das Kältemittel unter Druck und zirkuliert es durch das Kältemittelteilsystem 60. Der Verdichter 80 kann durch eine elektrische oder nichtelektrische Leistungsquelle angetrieben werden. Ein Drucksensor 95 kann den Druck des Kältemittels überwachen, das den Verdichter 80 anregt.
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Das Kältemittel, das den Verdichter 80 anregt, kann durch einen oder mehrere Kanäle zu dem Verflüssiger 82 zirkuliert werden. Der Verflüssiger 82 überträgt Wärme in die Umgebung, indem er das Kältemittel von einem Dampf in eine Flüssigkeit kondensiert. Ein Lüfter 85 kann selektiv betrieben werden, um einen Luftstrom über dem Verflüssiger 82 zu zirkulieren, um einen weiteren Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Luftstrom zu erzielen. Der Lüfter 85 kann angeordnet sein, um Luft auch über dem Autokühler 64 zu zirkulieren.
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Zumindest ein Teil des flüssigen Kältemittels, das aus dem Verdichter 82 austritt, kann durch die erste Expansionsvorrichtung 86 (abhängig von der Position des Ventils 87) und dann zu dem Verdampfer 84 zirkuliert werden. Die erste Expansionsvorrichtung 86 ist angepasst, um den Druck des Kältemittels zu ändern. In einer Ausführungsform ist die erste Expansionsvorrichtung 86 ein elektronisch gesteuertes Expansionsventil (EXV). In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Expansionsvorrichtung 86 ein thermisches Expansionsventil (TXV). Wenn die Expansionsvorrichtung ein EXV ist, kann das Absperrventil weggelassen werden. Das flüssige Kältemittel wird mit dem Verdampfer 84 von einer Flüssigkeit in Gas verdampft und nimmt gleichzeitig Wärme auf. Das gasförmige Kältemittel kann dann zu dem Verdichter 80 zurückgeleitet werden. Das Kältemittelteilsystem kann einen Verdampfungstemperatursensor 89 umfassen, der elektrisch mit der Steuerung 78 verbunden ist. Der Sensor 89 gibt ein Signal aus, das die Verdampfungstemperatur anzeigt. Die Steuerung 78 kann das System auf Grundlage von Signalen betreiben, die von dem Sensor 89 erhalten wurden. Alternativ kann das Ventil 87 geschlossen werden, um den Verdampfer 84 zu umgehen.
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Ein weiterer Teil des flüssigen Kältemittels, das aus dem Verdichter 82 austritt (oder das gesamte Kältemittel, wenn das Ventil 87 geschlossen ist) kann durch die zweite Expansionsvorrichtung 88 zirkulieren und in die Kühleinrichtung 76 eintreten, wenn das Ventil 91 offen ist. Die zweite Expansionsvorrichtung 88, die ebenfalls ein EXV oder TXV sein kann, ist angepasst, um den Druck des Kältemittels zu ändern. Das Kältemittel tauscht Wärme mit dem Kühlmittel in der Kühleinrichtung 76 aus, um das gekühlte Kühlmittel während einem Kühlmodus an der Batterie 24 bereitzustellen.
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Das Batteriekühlsystem 58 kann programmiert sein, um die Batterie 24 wenn möglich vorzugsweise lediglich über den Autokühler 64 zu kühlen, da das Kühlen der Batterie mit dem Autokühler 64 weniger Energie verbrauchen kann als mit der Kühleinrichtung 76, was die Reichweite des Fahrzeugs erhöhen kann. Es kann jedoch auch Situationen geben, in denen das Kühlen durch den Autokühler alleine nicht ausreichend ist, um die Batterie 24 zu kühlen. Diese Situationen umfassen, wenn die Batterietemperatur oder Umgebungslufttemperatur jeweils die vordefinierte Batteriekühlmitteltemperatur und Umgebungslufttemperatur übersteigt und wenn die Last (Entladung oder Wiederaufladung) der Batterie dazu führt, dass die Batterie mehr Wärme erzeugt als mit der Autokühlung alleine abgeleitet werden kann. Demnach muss die Kühleinrichtung 76 in vielen Situation zumindest einige der Kühlung der Batterie 24 bereitstellen. Das Proportionalventil 66 ist in der Lage, Anteile von Kühlmittel zwischen dem Autokühler und der Kühleinrichtung zu leiten, um eine Kühlung der Batterie 24 auf die effizienteste Weise zu erzielen und gleichzeitig relative hohe Temperaturschwankungen der Ausgangsluft in der Fahrgastkabine zu verhindern. Das Proportionalventil 66 kann durch einen Algorithmus gesteuert werden, der die Stufenänderung der Luft minimiert, die in die Fahrgastkabine geblasen wird, indem die Kabinenkühlung priorisiert und der Kühlmittelstrom zu der Kühleinrichtung auf Grundlage der verfügbaren AC-Kapazität gedrosselt wird.
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In Systemen, in denen der Batteriekühler mit dem Fahrgastraum-AC-System in Fluidverbindung steht, wie es in der dargestellten Ausführungsform der Fall ist, ist ein Potential für negativen Einfluss auf die Temperatur des Fahrgastraums möglich, falls das AC-System 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 AC-System dazu führen, dass die Auslasstemperatur des Fahrgastraumverdampfers 84 über eine Solltemperatur hinaus steigt, was dazu führt, dass die in den Fahrgastraum strömende Luft wärmer ist, als durch die Insassen angefordert. Die Insassen 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 des Kältemittelsystems überschreitet, entscheiden, ob dem Fahrgastraumbedarf oder dem Batteriebedarf nachgekommen werden soll.
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In einer Ausführungsform ist das System gestaltet, um den Fahrgastraumbedarf gegenüber dem Batteriebedarf zu priorisieren. Hier ist die Steuerung 78 konfiguriert, um eine Gesamtkapazität des AC-Systems, wobei die Menge der Gesamtkapazität durch den Fahrgastkabinenverdampfer (die als Verdampferkapazität bezeichnet werden kann) verwendet wird, und eine Kühleinrichtungskapazität zu bestimmen, die gegebenenfalls der Kühleinrichtung zur Verfügung steht. Bei der Kühlkapazität handelt es sich um die Reservekapazität des Kältemittelsystems, um zusätzliche Wärme von der Kühleinrichtung aufzunehmen. Die Kühleinrichtungskapazität ist gleich der Gesamtsystemkapazität abzüglich der Verdampferkapazität. Die Steuerung 78 kann programmiert sein, um die Kühleinrichtungskapazität als eine Funktion der Fahrgastkabinenwärmelast und eine Temperaturdifferenz zwischen einer Verdampfersolltemperatur und einer gemessenen Verdampfertemperatur zu bestimmen. Die Solltemperatur des Verdampfers 84 basiert auf der durch den Fahrer angeforderten Fahrgastraumtemperatur, einer Umgebungslufttemperatur, einer Sonnenlast und einem Klimasteuerungsmodus. Wenn der Fahrer zum Beispiel eine Fahrgastraumtemperatur von 21 Grad Celsius anfordert, umfasst die Steuerung eine Zuordnung, die eine Verdampfersolltemperatur im Bereich von 2–9 Grad Celsius anzeigt, wobei 6 Grad einen typischen Verdampfersollwert darstellt. Die Wärmelast des Fahrgastraums ist eine Temperaturfunktion der Umgebungsluft und der Geschwindigkeit des Fahrgastraumgebläses, das Luft über den Verdampfer 84 zirkuliert. Eine hohe Last tritt zum Beispiel auf, wenn das Gebläse auf HOCH eingestellt ist und die Umgebungsluft über 30 Grad Celsius ist, und eine niedrige Last tritt zum Beispiel auf, wenn das Gebläse auf NIEDRIG eingestellt ist und die Umgebungsluft unter 20 Grad Celsius ist. Bei der Wärmelast kann es sich auch eine Gleichung handeln, die eine Umgebungslufttemperatur, eine Sonnenlast, einen Kabinentemperatursollwert, eine Sonnenlast und die Anzahl von Fahrzeuginsassen berücksichtigt.
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Die Steuerung ist ferner konfiguriert, um eine angemessene Menge an Kühlmittel durch die Kühleinrichtung 76 zu leiten, um die Kühleinrichtungskapazität nicht zu übersteigen. Das Ventil 66 wird verwendet, um den prozentualen Anteil von Kühlmittel, der zu dem Kühler strömt, gegenüber dem prozentualen Anteil von Kühlmittel, der den Kühler über den Autokühlerregelkreis umgeht, zu steuern. Die durch die Kühleinrichtung übertragene Kapazität ist direkt proportional zu der Massenströmungsrate von Kühlmittel, das durch das Kühlgerät strömt, und der Temperatur des Kühlmittels. Abhängig von der Bedingung des Fahrgastraum-AC-Systems 60 kann das Proportionalventil 66 auf Grundlage des den Fahrgastraumbedarf und des Batteriebedarfs jeden beliebigen Wert zwischen null und 100 Prozent des Kühlmittels zu dem Kühler senden. Wenn keine Kühleinrichtungskapazität verfügbar ist, leitet das Ventil 66 100 % des Kühlmittels zu dem Autokühler und versucht das Batteriekühlmittelsystem, die Batterie unter Verwendung des Autokühlers 64 zusammen mit dem Lüfter 85 zu kühlen. In einigen Fällen können der Autokühler und Lüfter nicht dazu in der Lage sein, eine ausreichend niedrige Kühlmitteltemperatur für eine bestimmte Batterielast zu erreichen. Um Überhitzung zu vermeiden, kann die Steuerung 78 die Leistung der Batterie begrenzen, um Überhitzung zu vermeiden.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird eine Beispiellasttabelle 100 gezeigt. Der Lasttabelle 100 kann in einem Speicher der Steuerung 78 gespeichert werden. Die Steuerung 78 kann eine oder mehrere Lasttabellen umfassen, die während verschiedenen Betriebsbedingungen selektiv verwendet werden. In der Tabelle 100 steigt die Last mit steigenden Lufttemperaturen und mit steigenden Gebläsegeschwindigkeiten. Die Gebläsegeschwindigkeit kann als eine Prozentzahl dargestellt werden.
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Unter Bezugnahme auf 4 wird eine Kühleinrichtungskapazitätstabelle 102 gezeigt. Der Tabelle 102 kann in einem Speicher der Steuerung 78 gespeichert werden. Die Steuerung 78 kann eine oder mehrere Tabellen umfassen, die während verschiedenen Betriebsbedingungen selektiv verwendet werden. Die Y-Achse stellt die Last dar, die zum Beispiel unter Verwendung der Tabelle 100 bestimmt wird, und die X-Achse stellt die Temperaturdifferenz zwischen der gemessenen Temperatur des Verdampfers 84 und der Solltemperatur des Verdampfers 84 dar. Statt die Kapazität als einen numerischen Kapazitätswert auszudrücken, wird die berechnete Kühleinrichtungskapazität in Tabelle 102 in einer Vielzahl von vordefinierten Bereichen kategorisiert und jeder der Bereiche einer Zahl zugeordnet. Die Kühleinrichtungskapazität kann zum Beispiel in vier Bereiche gruppiert sein, die als null, eins, zwei und drei gekennzeichnet sind. Die Nullen entsprechen keiner Kühleinrichtungskapazität und die Dreier entsprechen einer vollen Kühleinrichtungskapazität. Die Einser und Zweiter entsprechen mittleren Kühleinrichtungskapazitäten. Bei den vier Bereichen handelt es sich lediglich um ein nicht einschränkendes Beispiel; das System kann mehr Bereiche umfassen, um die Steuerungspräzision zu erhöhen. Die Kalibrierungstabellen können zwischen Punkten interpoliert sein. Somit beträgt die Kühleinrichtungskapazität zum Beispiel 0,5, wenn ein Verdampferfehler von 1,5 vorliegt und die Last 45 beträgt. In einigen Ausführungsformen ordnen durch die Steuerung 78 ausgeführte Algorithmen die Kühleinrichtungskapazität aus der Tabelle 102 einer Ventilposition des Proportionalventils 66 zu, das geeicht ist, um die gewünschte Menge an Wärmeübertragung (d. h. Kapazität) in der gesamten Kühleinrichtung 76 bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen wird die Kühleinrichtungskapazität als eine Begrenzung (oder maximale Öffnung) verwendet. Diese Ausführungen werden nachfolgend detailliert beschrieben.
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5 stellt ein Ablaufdiagramm 120 für einen Algorithmus zum Betätigen des Proportionalventils 66 dar, um eine gewünschte Kühleinrichtungskapazität zu erreichen. In einem Vorgang 122 berechnet die Steuerung einen Verdampferfehler. Bei dem Verdampferfehler handelt es sich um die Temperaturdifferenz zwischen der gemessenen Temperatur (z. B. durch den Sensor 89) des Verdampfers 84 und einer Solltemperatur des Verdampfers. In einem Vorgang 124 wird die Fahrgastkabinenlast zum Beispiel unter Verwendung der Tabelle 100 berechnet. Wie vorangehen beschrieben, stellt die Fahrgastkabinenlast eine Funktion der Gebläsegeschwindigkeit und der Umgebungslufttemperatur dar. In einem Vorgang 126 berechnet die Steuerung die Kühleinrichtungskapazität zum Beispiel unter Verwendung der Tabelle 102. Bei der Kühleinrichtungskapazität handelt es sich um eine Funktion der Last und des Verdampferfehlers. In einem Vorgang 128 bestimmt die Steuerung, ob die Kühleinrichtungskapazität über null liegt. Wenn die Kühleinrichungskapazität null ist, kann die Kühleinrichtung nicht verwendet werden, um die Batterie zu kühlen. Demnach kehrt die Steuerung zum Beginn zurück. Wenn die Kühleinrichtungskapazität über Null liegt, fährt die Steuerung mit einem Vorgang 130 fort und setzt die Steuerung die Kühleinrichtungskapazität in eine Position des Proportionalventils um.
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Das Umsetzen der Kühleinrichtungskapazität in eine Position des Proportionalventils 66 kann auf mehrere verschiedene Arten durchgeführt werden. In einer ersten Ausführungsform kann zumindest eine der vordefinierten Bereiche (d. H. 1 und 2) eine entsprechende vordefinierte Position des Proportionalventils 66 umfassen. Als „eins“ kategorisierte Kühleinrichtungskapazitäten entsprechen zum Beispiel einer Proportionalventilposition, die 25 % des Kühlmittels zu der Kühleinrichtung und 75 % des Kühlmittels zu dem Autokühler leitet. Als „zwei“ kategorisierte Kühleinrichtungskapazitäten entsprechen einer Proportionalventilposition, die 50 % des Kühlmittels zu der Kühleinrichtung und 50 % des Kühlmittels zu dem Autokühler leitet. Diese Werte von Ventilpositionen stellen lediglich Beispiele dar und sind nicht als einschränkend anzusehen. Wenn die Kühleinrichtungskapazität drei ist, ist die Kühleinrichtungskapazität mehr als hoch genug, um die Batterie zu kühlen, und wenn zu viel Kühlmittel durch die Kühleinrichtung geleitet wird, kann dies zu einer Unterkühlung der Batterie führen. Demnach ist es möglich, dass der Bereich 3 keine zugeordnete vordefinierte Ventilposition aufweist. Stattdessen, kann die Proportionalventilposition, wenn die Kapazität drei ist, auf Grundlage einer Differenz zwischen einer Batteriesolltemperatur und einer gemessenen Batterietemperatur gesteuert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Proportionalventilposition unter Verwendung einer Proportionalintegral-(PI-)Steuerung gesteuert werden. Unter Bezugnahme auf 6 empfängt ein Modul der Steuerung 78 eine gemessene Batteriekühlmitteltemperatur 140 (z. B. ein Signal von dem Sensor 70 oder 99) und eine Batteriekühlmittelsolltemperatur 142. Die Solltemperatur 142 wird durch die Batterie auf Grundlage einer Batterietemperatur, Batterielast und Umgebungslufttemperatur eingestellt. Die gemessene Temperatur 140 wird von der Solltemperatur 142 abgezogen oder umgekehrt, um einen Temperaturfehler 144 zu bestimmen. Der Fehler 144 wird einer PI-Steuerung 146 zugeführt, die eine vorläufige Ventilposition (PCP) 148 des Proportionalventils 66 ausgibt, die berechnet wird, um die gewünschte Batterietemperatur bereitzustellen. Die PVP 148 wird bestimmt, ohne hierbei die Kühleinrichtungskapazität zu berücksichtigen. Demnach kann eine blinde Betätigung des Ventils in die PVP eine negative Auswirkung auf die Fahrgastkabinentemperatur haben. Um dies zu vermeiden, wird die PVP mit einer maximalen Ventilposition des Proportionalventils verglichen und gegebenenfalls durch diesen angepasst. Die maximale Ventilposition basiert auf der Kühleinrichtungskapazität, die zum Beispiel durch die Tabelle 102 berechnet wird. Zumindest eine der Kühleinrichtungskapazitätsbereiche kann eine entsprechende maximale Ventilposition aufweisen, die bei dem Vorgang 130 berechnet wird. Die maximale Ventilposition für Bereich eins ist zum Beispiel 25 % des Kühlmittels zu der Kühleinrichtung und für Bereich zwei 50 % des Kühlmittels zu der Kühleinrichtung. Der Bereich 3 weist unter Umständen keine zugeordnete maximale Ventilposition auf, die die Kühleinrichtungskapazität eine maximale Batteriewärmelast übersteigt. Oder der Bereich 3 kann eine maximale Ventilposition von 100 % aufweisen. In 150 bestimmt die Steuerung, ob die PVP größer ist als die maximale Ventilposition. Falls dies zutrifft, wird der PVP angepasst und das Proportionalventil wird in 152 in die maximale Ventilposition eingestellt. Falls dies nicht zutrifft, wird das Proportionalventil in 154 in die PVP eingestellt.
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Erneut unter Bezugnahme auf 5 wird das Proportionalventil 66 in einem Vorgang 132 in die in einem Schritt 152 oder einem Schritt 154 bestimmte Position betätigt. Das Proportionalventil 66 kann durch einen diesem zugeordneten Schrittmotor oder einem ähnlichen Mechanismus betätigt werden. In einem Vorgang 134 bestimmt die Steuerung (z. B. durch ein Signal von einem Sensor 99), ob die Temperatur des Batteriekühlmittels, das aus der Batterie austritt, höher ist als die Umgebungslufttemperatur. Wenn die Umgebungslufttemperatur die Batteriekühlmitteltemperatur übersteigt, nimmt der Autokühler in dem Kühlmittelsystem Wärme auf, anstatt Wärme in die Außenluft abzugeben. Demnach wird der Lüfter 85 ausgeschaltet, wenn die Umgebungsluft wärmer ist als die Batteriekühlmitteltemperatur, um den Luftstrom durch den Autokühler zu reduzieren. Wenn die Umgebungstemperatur kälter ist als die Batteriekühlmitteltemperatur, wird der Lüfter in 136 eingeschaltet, um den Luftstrom durch den Autokühler zu erhöhen.
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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 Schutzumfang 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.
