电动车辆加热分配系统及方法与流程

本发明总体涉及机动车辆领域，并且更加具体地，涉及一种电动车辆加热分配系统及相关方法。

背景技术：

通过热泵向例如电动车辆这样的车辆提供热量的广泛构思是已知的。然而，当面临更高的环境温度下的高效且经济问题时，当前的热泵技术不能够在非常低的环境温度下提供有效或甚至足够的加热能力。为了解决这一问题，已知的是通过附加热源来补偿由热泵提供的热量，这些附加热源包括由车辆发动机(在传统机动车辆中)或由电加热器产生的热量。问题是，在使用热泵及像电加热器这样的一个或多个附加热源的系统中，为了加热系统的高效运行，必须依据环境条件确定需要使用热泵、电加热器或二者的条件。正如已知的，在较高的环境温度下使用热泵是最高效的。在低环境温度下，使用电加热器更加有效。当使用热泵和电加热器二者时，必须确定管理热容量分配使其最高效。

为了解决这些及其他问题，本公开描述了一种包括热泵和电加热器的电动车辆加热分配系统，并且还描述了通过考虑环境温度及热泵效率指标的因素来管理热泵和电加热器之间的热容量分配的相关方法。

技术实现要素：

根据在此描述的目的及益处，描述了一种用于电动车辆的加热系统，该系统包括热泵子系统、电加热器子系统及控制器。一个或多个传感器向控制器提供确定的环境温度值及确定的热泵运行效率指标值(metric value)。相应地，控制器配置为，根据确定的环境温度值和确定的热泵运行效率指标值来确定热泵子系统和电加热器子系统的最优加热贡献百分比。

在实施例中，电加热器子系统包含高压电加热器。热泵效率指标值可以包含确定的热泵压缩机释放压力值。一个或多个传感器中的至少一个是配置为向控制器提供确定的环境温度值的环境温度传感器。一个或多个传感器中的至少一个是配置为向控制器提供确定的热泵压缩机释放压力值的压力传感器。

在另一实施例中，控制器可以进一步配置为将确定的环境温度值与预先确定的环境温度阈值进行比较。控制器可以配置为一旦确定该确定的环境温度值未超过环境温度阈值，就仅仅致动电加热器子系统。

另一方面，提供向上述包含热泵子系统及电加热器子系统的电动车辆提供加热的方法。该方法包括以下步骤：监测环境温度并向控制器提供确定的环境温度值、监测热泵运行效率指标值并向控制器提供确定的热泵效率指标值、以及根据确定的环境温度及确定的热泵效率指标来确定热泵子系统和电加热器子系统的最佳加热贡献百分比。如上所述，在实施例中热泵运行效率指标是热泵压缩机释放压力值，并且热泵传感器是压力传感器。

在实施例中，所描述的方法进一步包括将确定的环境温度值与预先确定的环境温度阈值进行比较的步骤，以及如果确定的环境温度值未超过环境温度阈值，则仅仅致动电加热器子系统的步骤。相应地，该方法可以包括确定热泵子系统及电加热器子系统的运行状态的步骤，以及，如果热泵子系统被确定为不可操作，则仅仅致动电加热器子系统的步骤。另一方面，如果热泵子系统及电加热器子系统均被确定为可操作，则该方法包括计算热泵子系统的功率乘数(power multiplier)以确定热泵子系统的加热贡献百分比。

在另一实施例中，热泵子系统功率乘数可以是确定的环境温度值及热泵压缩机释放压力值的函数。所描述的方法包括以下步骤：通过将总的可用能量加热预算乘以热泵子系统功率乘数来计算热泵子系统加热贡献百分比，以及通过总的可用能量加热预算减去热泵子系统的实际功率用量来计算电加热器子系统的加热贡献。

下面的说明书中，示出并描述了电池电动车辆加热分配系统及方法的若干优选实施例。正如应该意识到的，加热分配系统及方法能够是其他不同的实施例，并且它们的若干细节能够在不脱离下面的权利要求陈述并描述的系统及方法的多个显著方面变化。相应地，附图及说明书应该被看作是实质上说明性的而非限制性的。

附图说明

合并于此并且构成说明书一部分的附图说明了电池电动车辆加热分配系统及方法的若干方面，并且连同该说明书用于解释其某些原理。在附图中：

图1是包括并入高压加热器和热泵的加热系统的电动车辆的示意性框图；以及

图2是用于使用气候控制系统提供图1的电动车辆内的加热分配的方法的流程图。

现在详细参照电池电动车辆加热分配系统及方法的当前优选实施例，在所附附图中说明其示例。

具体实施方式

现在参照图1，其示意性说明了实质上具有传统设计的电动车辆1。首先，尽管该说明书及附图主要描述了电池电动车辆背景下所公开的电动车辆加热分配系统及方法，但本领域技术人员将很容易想到的是所公开的主题很容易适用于任何电动车辆。在高等级下，在此使用的术语“电动车辆”包含纯电动车辆(BEV)，混合动力电动车辆(HEV)，插电式混合动力电动车辆(PHEV)或者实际上任何具有电动车辆行驶里程的车辆。实际上，所要求保护的主题可适应于结合用于乘客舱气候控制的热泵和电加热器的任何车辆，电动的或其他车辆。因此，本公开不应该被理解为限制性的。

作为背景技术，BEV包括电动马达，其中马达的能量来源是牵引电池。BEV牵引电池可从外部电网重新充电。BEV牵引电池实际是上用于车辆推进的唯一车载能量。HEV包括内燃发动机及电动马达，其中，发动机的能量来源是燃料并且马达的能量来源是牵引电池。在HEV牵引电池提供车辆推进的补充能量(HEV牵引电池缓冲燃料能量并且以电力的形式恢复动能)的情况下，发动机是车辆推进的主要能量来源。PHEV不同于HEV，因为PHEV牵引电池比HEV牵引电池具有更大的容量并且PHEV牵引电池可从电网重新充电。PHEV牵引电池是车辆推进的主要来源直到PHEV牵引电池消耗至低的能量水平，此时PHEV像HEV一样运行用于车辆推进。

返回图1，所述的电池电动车辆1包括电池电动控制模块(BECM)2，电池3(在所述实施例中是高压电池)以及与逆变器5关联的传动控制模块(TCM)4。电动车辆1还包括向变速箱7提供驱动力的电动马达6，变速箱7相应地向接合轮胎8的车辆车轴/地面提供驱动力。

所述的电动车辆1还包括加热系统10，该加热系统10并入了大体上传统的热泵子系统12以及车辆乘客舱电加热器子系统13，在所述的实施例中电加热器子系统13包括高压电加热器14。热泵制冷剂子系统12包括外部热交换器(OHX)16、三向制冷剂阀18、内部热交换器(IHX)20及蒸发器22。加热电子膨胀阀24自制冷剂-到-冷却剂热交换器(R2C2)26分散热的流体，并且冷却电子膨胀阀28向蒸发器22提供冷却流体。热泵子系统12还包括蓄积器30及压缩机32。电加热器子系统13包括通向冷却剂热交换器26、加热器芯34、加热器芯温度(HCT)传感器35及冷却剂泵36的制冷剂。

控制器38(为了清楚起见结合车辆1以及热泵子系统12和电加热器子系统13描述)接收来自与热泵子系统12和电加热器子系统13的部件相关的传感器的输入，并且正如后面将描述的，控制器38控制热泵子系统12和电加热器子系统13的运行以便在两个部件之间为车辆的总的能量预算分配合适的比例以最大化加热效率。这样的控制器在本领域内是已知的，其包括处理器及存储器，该存储器包括计算机可执行指令以便根据存储的预校准的数据表来确定热泵子系统12和电加热器14的最佳的能量分配。根据这些数据表，如下面将要表述的可以确定最佳的能量分配。

在一个实施例中，传感器40与热泵压缩机32相关联，以便由此确定高压侧压力释放值并且将该值传送至控制器38。类似地，提供至少一个环境温度传感器42，以便确定车辆外部的环境温度值并且将该值传送至控制器38。另外，传感器44可以与车辆气候控制系统相关联，例如与气候控制系统控制面板(未示出)相关联，以便向控制器传送已经手动或自动产生乘客舱加热的请求。这些传感器的各种类型及配置在本领域中是非常常见的，并且没必要在此完整描述。

正如已知的，在正常环境条件下热泵子系统12是两个加热子系统(热泵和电加热器)中最有效的，并且因此在较高的环境温度下，热泵子系统12最有效地贡献100％的提供至车辆乘客舱的加热。然而，正如同样已知的，传统热泵子系统具有最小的运行温度(例如，对于大多数传统的机动车辆热泵系统来说该值当前是-4°F)。随着温度接近热泵子系统12的最小运行温度，热泵子系统12的能效严重受损，并且电加热器子系统13最有效地贡献100％的提供至车辆乘客舱的加热。随着环境温度降低至热泵子系统12的最小运行温度，在这些极端情况之间，为了保持加热过程中的最大能效，电加热器子系统13在提供至乘客舱的总的加热中贡献增加的百分比以补偿热泵12在降低的环境温度下效率的降低。

为了解决热泵子系统12的能效随环境温度降低而降低这一问题，由控制器38及上述子系统实施的方法包括接收加热请求，确定热泵子系统12及电加热器子系统13中的一个或两个是否可操作，以及在热泵子系统12和电加热器子系统13之间分配用于加热车辆乘客舱(未示出)的总的确定的能量预算的部分。在高水平下，考虑到确定的环境温度及热泵子系统12的运行效率指标的因素，在接收到来自气候控制系统的热量请求之后这通过在这两个加热源之间分布功率来完成。在一实施例中，使用的运行效率指标是热泵压缩机32的高压侧释放压力的量度。

参照图2，该方法在接收加热请求(气候热量请求＞0；步骤202)时开始。这可以是手动的，即，通过驾驶员或乘客启动车辆气候控制系统，或者是自动的，即，当传感器确定车辆乘客舱内的温度已经降低至预设定值以下并且请求修正。

接下来，在步骤203，控制器38确定环境温度是否高于预定阈值，即，环境温度是否高于车辆的特定热泵12的最小热泵运行环境温度。如果否，即，环境温度低于热泵最小运行温度，则控制器38向电加热器子系统13指示100％的用于加热的总的能量预算(步骤204)。

如果环境温度高于为车辆的特定热泵子系统12设计的最小热泵运行环境温度，则在步骤205，控制器38确定热泵子系统12和电加热器子系统13二者是否均可操作。如果否，则总的能量预算的分配将取决于这两个子系统中的哪一个是可操作的。如果仅仅电加热器子系统13是可操作的(步骤206)，则控制器38向电加热器子系统13指示100％的用于加热的总的能量预算(步骤204)。如果仅仅热泵12是可操作的(步骤207)，则控制器38向热泵子系统12指示100％的用于加热的总的能量预算(步骤208)。

另一方面，如果热泵子系统12和电加热器子系统13二者均是可操作的，则控制器38使用从环境温度传感器42和热泵压缩机传感器40获取的输入来确定热泵功率乘数值(见步骤209)，并且使用该确定的功率乘数根据这两个子系统可用的最大能量预算来计算热泵能量预算(步骤210)及电加热器能量预算(步骤211)。然后，根据这些由控制器38计算出的能量预算引发热泵子系统12和电加热器子系统13的每一个(步骤212)。

下面的表1陈述了数据表的一个可行的实施例，该数据表由控制器38使用以确定热泵子系统12的功率乘数以根据可用的总的能量预算(总的功率)确定对热泵子系统12的能量(功率)分配。本领域技术人员将会想到的是表1是可校准的表格，也就是说，其中的信息可以被调整/校准至不同车辆热泵子系统的规范，并且因此其中描述的具体值并不意味着限制性的。

数据表的一个轴示出了作为热泵运行效率的量度的热泵压缩机32高压侧压力释放值(kPa)。数据表的另一个轴示出了增加的环境温度值，始于热泵子系统12的最小运行温度(对于使用的特定热泵子系统12来说是-4°F)并且示出了72°F的高的环境温度值，在该温度下车辆成员不会需要明显的加热。

表1 热泵功率乘数(根据可用的最大功率的热泵功率分布)

正如可以从前述数据表中看出的，在最低的选择的环境温度值(-4°F)下，通过控制器38的运行，电加热器子系统13贡献100％的乘客舱加热(热泵子系统功率乘数＝0)。随着环境温度上升，控制器38使热泵12贡献增加的百分比的乘客舱加热。例如，根据检测的50°F及72°F的环境温度(如由温度传感器42提供的)以及根据检测的压缩机32的500-1000kPa的高压侧压力值(通过传感器40)，热泵功率乘数分别计算为0.75和1，即来自热泵子系统12的75％及100％的乘客舱加热的分别的贡献。另一方面，随着热泵高压侧压缩机32的压力值增加，表示热泵12的运行效率更低，热泵12对乘客舱加热的相对贡献降低，尤其是在50°F或更低的环境温度下。对于在表1所示的温度之间的温度，系统提供各自的插值贡献。对于非限定示例来说，对于56°F的温度，系统将输出87.5％的插值热泵贡献。一旦做出这些确定，控制器38就使热泵子系统12和电加热器子系统13在它们各自的闭合回路内运行，以便以可能的最佳的能效方式协调加热乘客舱。

因此，通过前述说明书提供了一种用于最优化使用热泵和电加热器的车辆气候控制系统内的加热效率的简单、有效且稳健的系统及方法。尽管发现该系统及方法尤其适用于纯电动车辆，但本领域技术人员将会想到的是该系统及方法容易适用于包括热泵和电加热器的任何类型的车辆。

已经为说明及描述的目的呈现了上述说明。并不意味着穷举或将实施例限定为所公开的精确形式。在上面的技术启示下，各种修改和变形是可行的。当根据它们公平合法且公正享有的范围理解时，所有这些修改和变形均在所附权利要求的保护范围内。