利用电子膨胀装置的电池冷却器控制的制作方法
本公开涉及用于操作与车辆的空调系统相关联的电池冷却器的控制策略和方法。
背景技术：
对减小汽车和其它车辆中的燃料消耗和排放的需要是众所周知的。正在开发出减小对内燃发动机的依赖或完全消除对内燃发动机的依赖的车辆。出于这个目的，电动和混合动力车辆是当前正在开发的一种类型的车辆。电动和混合动力车辆包括由牵引电池供电的牵引马达。牵引电池需要热管理系统来对电池单元的温度进行热调节。
技术实现要素：
根据本发明的一个实施例，一种用于车辆的气候控制系统包括制冷剂子系统，所述制冷剂子系统具有冷却器和被布置为选择性地将制冷剂输送到冷却器的电子膨胀阀(exv)。所述车辆还包括具有管的冷却剂子系统，该管被布置为将冷却剂循环通过牵引电池和冷却器。冷却剂子系统还包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器被配置为测量循环到冷却器的入口侧中的冷却剂的温度，第二温度传感器被配置为测量从冷却器的出口侧循环出来的冷却剂的温度。车辆控制器被配置为：响应于电池温度超过阈值温度并且车舱空调被请求，将exv的开度命令到预定位置，并基于第一温度传感器测量到的冷却剂温度与第二温度传感器测量到的冷却剂温度之间的温度差来调节所述预定位置。
根据本发明的一个实施例，所述制冷剂子系统还包括具有第三温度传感器的蒸发器。
根据本发明的一个实施例，所述预定位置基于由第三温度传感器输出的信号。
根据本发明的一个实施例，所述预定位置还基于牵引电池的温度。
根据本发明的一个实施例，响应于第一温度传感器测量到的冷却剂温度与第二温度传感器测量到的冷却剂温度之间的温度差低于目标温度差，增大exv的位置。
根据本发明的一个实施例，响应于第一温度传感器测量到的冷却剂温度与第二温度传感器测量到的冷却剂温度之间的温度差超过目标温度差，减小exv的位置。
根据本发明的一个实施例，响应于打开的命令，exv的位置在预定持续时间内逐渐从关闭位置打开到预定位置。
根据本发明的一个实施例，制冷剂子系统还包括压缩机以及布置在压缩机与蒸发器之间的冷凝器。
根据本发明的一个实施例，冷却剂子系统还包括连接到冷却器入口侧的供应管和连接到冷却器出口侧的回流管，其中，第一温度传感器设置在供应管上，第二温度传感器设置在回流管上。
根据本发明的另一个实施例，一种车辆包括制冷剂系统和冷却剂系统，所述制冷剂系统具有冷却器和被布置为选择性地将制冷剂输送到冷却器的电子膨胀阀(exv)，所述冷却剂系统被布置为将冷却剂循环通过牵引电池和冷却器。车辆控制器被配置为：响应于exv打开并且车舱空调被请求，基于测量到的冷却器容量和目标冷却器容量之间的差来调节exv的开度。
根据本发明的又一个实施例，提出了一种控制具有冷却器的车辆气候系统的方法，该冷却器被布置为在制冷剂子系统与电池冷却剂子系统之间传递热。所述方法包括：响应于电池温度超过阈值温度，将电子膨胀阀打开到预定位置，该电子膨胀阀与冷却器相关联并被配置为控制到冷却器的制冷剂。所述方法还包括：基于冷却器入口的冷却剂温度与冷却器出口的冷却剂温度之间的测量到的冷却剂温度差来调节所述预定位置。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：响应于测量到的冷却剂温度差低于期望温度差而增大电子膨胀阀的开度。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：响应于测量到的冷却剂温度差超过期望温度差而减小电子膨胀阀的开度。
根据本发明的一个实施例，所述预定位置是基于制冷剂子系统的蒸发器的出口温度的。
附图说明
图1是示例性的电动车辆的示意图；
图2是车辆的气候控制系统的示意图；
图3是示出用于控制与电池冷却器相关联的电子膨胀阀的逻辑的流程图；
图4是示出用于控制与电池冷却器相关联的电子膨胀阀的逻辑的另一流程图。
具体实施方式
在此描述了本公开的实施例。然而，应理解公开的实施例仅为示例，其它实施例可采用多种替代形式。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。因此，此处公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅为教导本领域技术人员以多种形式应用本发明的代表性基础。如本领域内的技术人员将理解的，参考任一附图说明和描述的多个特征可以与一个或更多个其它附图中说明的特征组合，以产生未明确说明或描述的实施例。说明的组合特征提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可以期望用于特定应用或实施方式。
图1描绘了示例电池电动车辆(bev)的示意图。然而，还可在混合动力电动车辆的环境下实施特定实施例。车辆12包括机械地连接到传动装置16的一个或更多个电机14。电机14能够作为马达或发电机运转。如果车辆为混合动力电动车辆，则传动装置16机械地连接到发动机(未示出)。传动装置16通过驱动轴20机械地连接到车轮22。电机14能够提供推进和减速能力。电机14还用作发电机并能够通过回收再生制动的能量来提供燃料经济性效益。
牵引电池或电池组24储存能够由电机14使用的能量。牵引电池24通常从牵引电池24内的一个或更多个电池单元阵列(有时称作电池单元堆)提供高电压直流(dc)输出。电池单元阵列可包括一个或更多个电池单元。
电池单元(诸如棱柱形、袋状、圆柱形或任意其它类型的电池单元)将储存的化学能转换为电能。电池单元可包括壳体、正极(阴极)和负极(阳极)。电解质可以允许离子在放电期间在阳极与阴极之间移动，然后在再充电期间返回。端子可以允许电流从电池单元流出以供车辆使用。
不同的电池组构造可用于应对包括封装约束和功率需求的各个车辆变量。电池单元可利用热管理系统进行热调节。热管理系统的示例包括空气冷却系统、液体冷却系统以及空气系统与液体系统的组合。
牵引电池24可通过一个或更多个接触器(未示出)电连接到一个或更多个电力电子模块26。一个或更多个接触器在断开时将牵引电池24与其它组件隔离，并且在闭合时将牵引电池24连接到其它组件。电力电子模块26可电连接到电机14，并可在牵引电池24与电机14之间提供双向传输电能的能力。例如，典型的牵引电池24可提供dc电压，而电机14可能需要三相交流(ac)电压来运转。电力电子模块26可将dc电压转换为电机14所需的三相ac电压。在再生模式下，电力电子模块26可将来自用作发电机的电机14的三相ac电压转换为牵引电池24需要的dc电压。
牵引电池24除了提供用于推进的能量之外，还可提供用于其它车辆电气系统的能量。典型的系统可包括dc/dc转换器28，dc/dc转换器28将牵引电池24的高电压dc输出转换为与其它车辆组件兼容的低电压dc供应。其它高电压负载(诸如空调压缩机和电加热器)可在不使用dc/dc转换器模块28的情况下直接连接至高电压供应。在典型车辆中，低电压系统电连接至dc/dc转换器和辅助电池30(例如，12伏特电池)。
电池能量控制模块(becm)33可与牵引电池24通信。becm33可作为用于牵引电池24的控制器并且还可包括管理每个电池单元的温度和荷电状态的电子监测系统。牵引电池24可具有诸如热敏电阻或其它温度计量器的温度传感器31。温度传感器31可与becm33通信，以提供关于牵引电池24的温度数据。becm33可以是包括一个或更多个额外控制器的较大的车辆控制系统的部分。
车辆12可由外部电源36再充电。外部电源36可以连接到电插座(该电插座连接到电网)或者可以是本地电源(例如，太阳能)。外部电源36电连接到车辆充电站38。充电站38可提供电路和控件以调整和管理电源36与车辆12之间的电能的传输。外部电源36可将dc电力或ac电力提供到充电站38。充电站38可具有用于插入到车辆12的充电端口34的充电连接器40。充电端口34可以是被配置为将来自充电站38的电力传输到车辆12的任意类型的端口。充电端口34可电连接到充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可调节从充电站38供应的电力以将适合的电压水平和电流水平提供到牵引电池24。电力转换模块32可与充电站38进行交互以协调到车辆12的电力传输。充电连接器40可具有与充电端口34的对应凹入配合的插脚。在其它实施例中，充电站可以是感应充电站。这里，车辆可包括与充电站的发射器通信的接收器，以无线地接收电流。
讨论的各种部件可具有用于控制和监测部件运转的一个或更多个控制器。控制器可通过串行总线(例如，控制器局域网(can))或通过专用电缆进行通信。控制器总体上包括任何数量的微处理器、asic(专用集成电路)、ic(集成电路)、存储器(例如闪存、rom、ram、eprom(电可编程只读存储器)和/或eeprom(电可擦除可编程只读存储器))以及彼此协作以执行一系列操作的软件代码。控制器还包括基于计算和测试数据并且存储在存储器内的预定的数据或“查值表”。控制器可通过使用共用总线协议(例如控制器局域网(can)或局域互联网(lin))的一个或多个有线或无线车辆连接而与其它车辆系统和控制器进行通信。这里使用的对“控制器”的引用指一个或更多个控制器。
牵引电池24、乘客舱和其它车辆部件可利用一个或更多个热管理系统进行热调节。示例性热管理系统在附图中示出并在下文中描述。参照图2，车辆12包括至少具有制冷剂子系统52和电池冷却剂子系统54的气候控制系统50。例如，各种热管理系统的部分可位于车辆的各个区域内，诸如发动机舱和车舱。
制冷剂子系统52在一些操作模式期间提供车舱的空调，并且还在一些操作模式期间冷却和/或加热电池24。制冷剂子系统52可以是使制冷剂循环的蒸汽压缩式热泵，该制冷剂将热能传递到气候控制系统50的各种部件。制冷剂子系统52可包括车舱回路56，车舱回路56具有压缩机57、外部换热器58(例如，冷凝器)、第一内部换热器60(例如，前蒸发器)、第二内部换热器62(例如，后蒸发器)、储液器、接头(fittings)、阀、膨胀装置和通常与制冷剂子系统相关联的其它部件。蒸发器中的每个均可具有相关联的鼓风机61。冷凝器58可位于靠近车辆前部的格栅后方，蒸发器可设置在一个或更多个hvac壳体内。应理解，如果制冷剂子系统52是热泵，则标记为“冷凝器”的换热器可用作蒸发器。风扇59可使空气循环经过冷凝器58。
车舱回路56部件通过多个管(conduit)、管道(tube)、软管(hose)或管路(line)以闭环的方式进行连接。例如，第一管64流体连通地连接压缩机57和冷凝器58，第二管66流体连通地将冷凝器58连接到中间换热器82，并且管67将蒸发器60和62与换热器82流体连通地连接。前蒸发器60经由管68与管67连接，后蒸发器62经由管70与管67连接。第一膨胀装置78设置在管68上并控制到前蒸发器60的制冷剂流动。膨胀装置被配置为改变子系统52中的制冷剂的压力和温度。膨胀装置78可以是具有可电控关闭特征的热膨胀阀，或者可以是电子膨胀阀。第二膨胀装置80设置在管70上并控制到后蒸发器62的制冷剂流动。第二膨胀装置80可与第一膨胀装置类似。前蒸发器60经由管74连接到回流管76，后蒸发器62经由管72与回流管76连接。回流管76连接在换热器82与蒸发器之间。管77连接在换热器82与压缩机57之间。中间换热器82是可选的。
气候控制系统50包括与气候控制部件中的几个电通信的控制器100。图2中的虚线示出控制器100与所述部件之间的电连接。控制器可经由如上所述的数据总线或专用线缆与各种部件进行交互。蒸发器60和62分别包括温度传感器84和86，温度传感器84和86被配置为将指示对应蒸发器的温度的信号发送到控制器100。利用这些温度信号和其它信号，控制器100能够确定气候控制系统50的工况。
制冷剂子系统52还包括具有冷却器90和第三膨胀装置92的电池回路89。电池回路89可包括在接头96处连接至管66并且连接至冷却器90的制冷剂入口侧101的供给管94。膨胀装置92可以位于供给管94上。膨胀装置92可被配置为改变流经膨胀装置92的制冷剂的压力和温度。膨胀装置可以是电子膨胀阀(exv)，该电子膨胀阀具有改变exv内的开口的尺寸的阀。exv可包括电子致动器(例如，步进马达)，该电子致动器被配置为致动阀以增大或减小开口的尺寸。致动器由控制器100控制。控制器100可以命令致动器将膨胀装置定位在全开(wide-open)位置、全关位置或节流位置。节流位置是部分打开的位置，在该位置控制器调整阀开口的尺寸以调整通过膨胀装置的流动。控制器100和膨胀装置可被配置为响应于系统工况而持续地或定期地调整节流位置。通过改变膨胀装置内的开度，控制器可以根据需要调整制冷剂的流动、压力、温度和状态。回流管98将电池冷却器90连接到车舱回路56。回流管98一端连接到冷却器的制冷剂出口侧102，另一端与管76连接。
车辆还包括可以以多种不同的模式(诸如加热模式或电池冷却模式)运行的电池热管理系统。电池热管理系统包括将热经由冷却器90散发到制冷剂子系统52的电池冷却剂子系统54(已示出)和将热经由散热器散发到周围空气的散热器回路(未示出)。根据电池冷却需要、周围空气温度和其它因素，这两条回路可彼此串联地运行或彼此独立地运行。
电池冷却剂子系统54流体连通地连接牵引电池24和冷却器90。子系统54包括设置在第一管106上的泵104，第一管106连接在电池24与冷却器90的冷却剂入口侧114之间。第二管108连接在冷却剂出口侧116与电池24之间。冷却剂入口温度传感器110设置在管106上而靠近入口侧114。传感器110被设置为将指示循环到冷却器90中的冷却剂的温度的信号输出到控制器100。冷却剂出口温度传感器112设置在管108上而靠近出口侧116。传感器112被配置为将指示离开冷却器90的冷却剂的温度的信号输出到控制器100。
电池冷却器90可以具有任何合适的构造。例如，冷却器90可具有在不混合电池冷却剂子系统54和制冷剂子系统52中的传热流体的情况下促进热能传递的板翅、管翅或管-壳构造。
在电池冷却器与车舱a/c(air-conditioning，空调)系统(诸如制冷剂子系统52)流体连通的系统中，如果a/c系统的容量不足以在车舱和电池的各自的负载下冷却车舱和电池两者，则可能存在负面影响车舱空气温度的可能性。例如，在热天时，通过a/c系统同时冷却电池和乘客舱会导致车舱蒸发器的出口温度增大超过目标温度，这导致吹入到车舱的空气比驾驶员请求的空气热。在车舱温度不符合需求温度时，车舱的乘员可能感到不满意。因此，在组合的负载超过容量的情况下，汽车制造者必须在满足车舱需求与满足电池需求之间作出选择。
在一个实施例中，系统被设计为使车舱需求和电池需求平衡。这里，控制器被配置为：确定a/c系统接受电池热的容量(此处称为“冷却器容量”)；基于冷却器容量，将合适量的制冷剂输送通过冷却器90以提供该容量。在示出的实施例中，exv92用于控制流到冷却器90的制冷剂的百分比与经由管68或70而绕过冷却器的制冷剂的百分比。根据车舱a/c系统的状况，exv92可将0到100％之间的任意百分比的制冷剂输送到冷却器。
如果没有冷却器容量可用，则电池冷却剂系统可尝试利用与风扇结合的散热器来冷却电池。在一些情况下，散热器和风扇可能在给定电池负载下无法达到足够低的电池冷却剂温度。为了防止过热，控制器可限制电池供电以防止过热。
冷却器容量是在冷却器内在制冷剂子系统52与冷却剂子系统54之间传递的热能的量。可利用等式1：
可以通过一个或更多个附图中的流程图或类似的图来表示由控制器100执行的控制逻辑或功能。这些附图提供可以使用一个或更多个处理策略(诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)实现的代表性控制策略和/或逻辑。因此，示出的多个步骤或功能可以以示出的顺序执行、并行执行或在某些情况下有所省略。尽管没有总是明确地示出，但是本领域的普通技术人员将认识到，根据使用的特定处理策略，可以反复执行一个或更多个示出的步骤或功能。类似地，处理的顺序并不一定是实现在此描述的特点和优点所必需的，而是为了便于说明和描述而提供。可以主要在由基于微处理器的车辆、发动机和/或动力传动系统控制器(诸如控制器100)执行的软件中实现控制逻辑。当然，根据特定应用，可以在一个或更多个控制器中的软件、硬件或者软件和硬件的组合中实现控制逻辑。当在软件中实现时，可以在存储有代表由计算机执行以控制车辆或其子系统的代码或指令的数据的一个或更多个计算机可读存储装置或介质中提供控制逻辑。计算机可读存储装置或介质可包括利用电、磁和/或光学存储以保持可执行指令和关联的校准信息、操作变量等的许多已知物理装置中的一个或更多个。
图3是在电池由冷却器90冷却时用于控制exv92的算法的流程图150。在操作152处，控制器确定牵引电池温度是否大于或等于上阈值温度。如果牵引电池温度小于上阈值温度，则电池不需要通过冷却器冷却并且控制循环回到开始。如果牵引电池温度大于或等于上阈值温度，则控制器接下来在操作154处确定车舱空调是否正在被车辆的乘客请求。如果空调关闭，则所述控制进行到操作156并且基于电池需要而将exv92致动到校准的位置。如果空调打开，则所述控制进行到操作158并且控制器确定测量到的蒸发器温度是否大于或等于目标蒸发器温度。目标蒸发器温度可以是上限温度(诸如在6摄氏度与10摄氏度之间)，该上限温度确保制冷剂系统具有用于冷却车舱的容量。如果测量到的蒸发器温度大于目标蒸发器温度，则吹送到车舱中的空气将比由乘客请求的热，这是不被期望的。如果测量到的蒸发器温度超过目标蒸发器温度，则控制进行到160并且exv92被关闭或保持关闭，这是由于制冷剂系统不具有用于通过冷却器90承担电池热的任何容量。车辆可包括在电池冷却优先于车舱冷却的紧急状况期间使用的其它控制。在这些策略中，即使蒸发器温度超过目标蒸发器温度，exv也可打开。
如果在操作158处测量到的蒸发器温度小于目标蒸发器温度，则控制进行到操作162并且控制器确定exv是否打开。如果exv没有打开，则控制进行到操作164处并且exv被致动到校准位置。控制器100可包括一个或更多个查找表，所述查找表包含被设置为提供目标冷却器容量的多个校准位置。目标冷却器容量可基于从操作158测量到的蒸发器温度。测量到的冷却器容量可基于进入冷却器的冷却剂的温度(tin)与离开冷却器的冷却剂的温度(tout)之间的温度差。目标冷却器容量是电池的预期温度与tout之间的差。如果在操作162处exv打开，则控制进行到操作166并且基于电池冷却剂的温度来调节exv的位置，如将在下文中更加详细地描述的。
在操作168处控制器测量进入冷却器的冷却剂的温度(tin)，在操作170处控制器测量离开冷却器的冷却剂的温度(tout)。例如，控制器接收来自温度传感器110和112的信号以确定冷却剂的测量的温度。在操作172处控制器确定电池冷却剂子系统54中的冷却剂流量。所述流量可从泵104推断出，或者所述系统可包括流量传感器。利用从操作168至操作172测量到的值，控制器能够利用等式1来计算测量到的冷却器容量。在操作174处控制器确定测量到的冷却器容量是否大于或等于目标冷却器容量。如果确定测量到的冷却器容量大于或等于目标冷却器容量，则来自电池的过多的热可被传递到制冷剂子系统中。在操作176处基于测量到的冷却器容量与目标冷却器容量之间的差来调节exv的开度(即，开度被减小)。如果在操作174处测量到的冷却器容量小于目标冷却器容量，则控制循环回到操作158并且控制器确定测量到的蒸发器温度是否大于或等于目标蒸发器温度。
如果在操作158处测量到的蒸发器温度小于目标蒸发器温度，则在exv已打开时控制进行到操作166。在操作166处，控制器基于测量到的冷却器容量与目标冷却器容量之间的差来致动exv(即，exv的开度增大)。一旦exv被致动，控制就进行操作168至操作176。该算法可以以预定间隔重复直到退出控制为止。
图4是在电池正由冷却器90冷却时用于控制exv92的另一算法的流程图200。该算法与流程图150的算法类似，即，控制器基于冷却剂温度来调节exv的位置。在操作202处控制器确定牵引电池温度是否大于或等于阈值温度。如果牵引电池温度小于阈值温度，则电池不需要通过冷却器进行冷却并且控制循环回到开始。如果牵引电池温度大于或等于阈值温度，则控制进行到操作204并且控制器确定车舱a/c是否打开。如果a/c关闭，则控制进行到操作205并且基于电池需求而将exv致动到校准位置。如果a/c打开。则控制进行到操作206并且控制器确定测量到的蒸发器温度是否在操作温度范围之内。如果测量到的蒸发器温度过热或过冷，则控制返回到开始。
如果测量到的蒸发器温度在操作温度范围之内，则控制进行到操作208。控制器没有将控制器配置为将测量到的冷却器容量与目标冷却器容量进行比较以控制exv92，而是可被配置为：在目标冷却器容量被用作q的情况下，利用等式1计算进入冷却器的冷却剂的温度tin与离开冷却器的冷却剂的温度tout之间的目标温度差。由于q、
在操作210和212处控制器通过传感器测量冷却剂温度并确定tout和tin。在操作216处控制器确定测量到的温度差是否大于或等于目标温度差。如果测量到的温度差大于或等于目标温度差，则在操作218处基于|tin–tout|而减小exv92的开度。如果测量到的温度差小于目标温度差，则在操作220处基于|tin–tout|而增大exv的开度。
虽然上文描述了示例实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限定，并且应理解不脱离本发明的精神和范围可以作出各种改变。如上所述，可以组合多个实施例的特征以形成本发明没有明确描述或说明的进一步的实施例。尽管已经描述了多个实施例就一个或多个期望特性来说提供了优点或相较于其他实施例或现有技术应用更为优选，本领域技术人员应该认识到，取决于具体应用和实施，为了达到期望的整体系统属性可以对一个或多个特征或特性妥协。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易于装配等。因此，描述的实施例在一个或多个特性上相对于其他实施例或现有技术应用不令人满意也未超出本发明的范围，并且这些实施例可以满足特定应用。
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