用于根据车速来提供改进的电池冷却的电池热管理系统的制作方法

[0001]
本公开涉及电动化车辆电池组，并且更具体地涉及用于对电池组进行热管理的热管理系统。


背景技术：

[0002]
已有文献详细记载了对减少汽车燃料消耗和排放的期望。因此，正在开发减少或完全消除对内燃发动机的依赖的电动化车辆。一般来讲，电动化车辆与常规的机动车辆不同，因为电动化车辆是通过一个或多个电池供电的电机选择性地驱动的。相比之下，常规的机动车辆完全依赖内燃发动机来推进车辆。
[0003]
高压牵引电池组通常为电动化车辆的电机和其他电气负载供电。电池组可包括一个或多个互连电池单元分组。电池单元在某些状况期间(包括在充电操作期间和在放电操作期间)产生热量。可采用电池热管理系统来管理由电池单元产生的热量。


技术实现要素：

[0004]
根据本公开的示例性方面的电池热管理系统尤其包括：电池组；散热器，其被配置为冷却冷却剂以对电池组进行热管理；阀，其被配置为控制冷却剂向散热器的流动；以及控制单元，其被配置为当冷却剂的冷却剂温度超过修改后的环境温度时，将阀从打开位置致动到关闭位置，从而阻止冷却剂向散热器的流动。修改后的环境温度是根据车速得出。
[0005]
在前述系统的其他非限制性实施例中，散热器、阀和泵是电池热管理系统的冷却剂子系统的一部分。
[0006]
在前述系统中的任一个的其他非限制性实施例中，冷却剂子系统包括冷却器回路，所述冷却器回路包括冷却器。
[0007]
在前述系统中的任一个的其他非限制性实施例中，制冷剂子系统使制冷剂循环，并且制冷剂在冷却器内与冷却剂子系统的冷却剂交换热量。
[0008]
在前述系统中的任一个的其他非限制性实施例中，控制单元被配置为当冷却剂温度超过修改后的环境温度时将冷却剂的流动转移到冷却器。
[0009]
在前述系统中的任一个的其他非限制性实施例中，所述系统包括用于监控冷却剂温度的冷却剂温度传感器。
[0010]
在前述系统中的任一个的其他非限制性实施例中，冷却剂温度传感器位于散热器的出口与电池组的入口之间。
[0011]
在前述系统中的任一个的其他非限制性实施例中，所述系统包括用于监控环境温度的环境温度传感器。
[0012]
在前述系统中的任一个的其他非限制性实施例中，所述系统包括用于监控车速的速度传感器。
[0013]
在前述系统中的任一个的其他非限制性实施例中，所述控制单元包括环境温度修改器高速计时器和环境温度修改器低速计时器。
[0014]
在前述系统中的任一个的其他非限制性实施例中，所述控制单元被配置为当车速超过车速阈值并且由环境温度修改器高速计时器监控的时间量超过高速环境超时时，使用环境温度修改器高速计时器来计算修改后的环境温度。
[0015]
在前述系统中的任一个的其他非限制性实施例中，所述控制单元被配置为当车速低于车速阈值并且由环境温度修改器低速计时器监控的时间量超过低速环境超时时，使用环境温度修改器低速计时器来计算修改后的环境温度。
[0016]
在前述系统中的任一个的其他非限制性实施例中，当由环境温度修改器高速计时器监控的时间量超过高速环境超时时，环境温度偏移第一偏移值，并且当由环境温度修改器低速计时器监控的时间量超过低速环境超时时，环境温度偏移第二更大的偏移值。
[0017]
根据本公开的另一个示例性方面的方法尤其包括控制冷却剂向电动化车辆的电池热管理系统的散热器的流动。控制所述流动包括：当冷却剂的冷却剂温度超过修改后的环境温度时，允许冷却剂向散热器流动，以及当冷却剂的冷却剂温度低于修改后的环境温度时，阻止冷却剂向散热器流动。
[0018]
在前述方法的其他非限制性实施例中，阻止冷却剂的流动包括将电池热管理系统的阀从打开位置致动到关闭位置。
[0019]
在前述方法中的任一种的其他非限制性实施例中，根据电动化车辆的车速得出修改后的环境温度。
[0020]
在前述方法中的任一种的其他非限制性实施例中，所述方法包括：将车速与车速阈值进行比较；当车速大于车速阈值时，启动环境温度修改器高速计时器；以及当车速小于车速阈值时启动环境温度修改器低速计时器。
[0021]
在前述方法中的任一种的其他非限制性实施例中，当车速大于车速阈值时，所述方法包括：将由环境温度修改器高速计时器监控的时间量与高速环境超时进行比较，以及当所述时间量超过高速环境超时时，通过将环境温度调整第一偏移值而计算修改后的环境温度。
[0022]
在前述方法中的任一种的其他非限制性实施例中，当车速小于车速阈值时，所述方法包括：将由环境温度修改器低速计时器监控的时间量与低速环境超时进行比较，以及当所述时间量超过低速环境超时时，通过将环境温度调整第二偏移值而计算修改后的环境温度。
[0023]
在前述方法中的任一种的其他非限制性实施例中，第二偏移值大于第一偏移值。
[0024]
前述段落、权利要求或以下描述和附图的实施例、示例和替代方案(包括它们的各种方面或相应的单独特征中的任一者)可以独立地或以任何组合来采用。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非这种特征是不兼容的。
[0025]
根据以下具体实施方式，本公开的各种特征和优点对于本领域技术人员将变得明显。附随于具体实施方式的附图可以简要描述如下。
附图说明
[0026]
图1示意性地示出了电动化车辆的动力传动系统。
[0027]
图2示出了根据本公开的第一实施例的用于对电动化车辆的电池组进行热管理的热管理系统。
[0028]
图3示意性地示出了一种控制电池热管理系统以有效地对电动化车辆电池组进行热管理的方法。
[0029]
图4示出了根据本公开的另一个实施例的热管理系统。
具体实施方式
[0030]
本公开详述了用于对电动化车辆电池组进行热管理的热管理系统。一种示例性电池热管理系统可监控散热器的可用性和有效性以对电池组进行热管理。控制单元可被配置为当冷却剂的冷却剂温度超过修改后的环境温度时，将阀从打开位置致动到关闭位置，从而阻止所述冷却剂向所述散热器的流动。所述修改后的环境温度可根据车速得出。在本具体实施方式的以下段落中更详细地讨论这些和其他特征。
[0031]
图1示意性地示出了用于电动化车辆12的动力传动系统10。尽管被描绘为混合动力电动车辆(hev)，但应理解，本文描述的概念不限于hev并且可扩展到其他电动化车辆，包括但不限于插电式混合动力电动车辆(phev)、电池电动车辆(bev)、燃料电池车辆等。
[0032]
在实施例中，动力传动系统10是采用第一驱动系统和第二驱动系统的动力分流动力传动系统。第一驱动系统包括发动机14和发电机18(即，第一电机)的组合。第二驱动系统至少包括马达22(即，第二电机)、发电机18和电池组24。在该示例中，第二驱动系统被认为是动力传动系统10的电驱动系统。第一驱动系统和第二驱动系统各自能够产生扭矩以驱动电动化车辆12的一组或多组车辆驱动轮28。尽管图1中描绘了动力分流配置，但本公开扩展到任何混合动力或电动车辆，包括强混合动力、并联式混合动力、串联式混合动力、轻度混合动力或微混合动力。
[0033]
发动机14(其可为内燃发动机)和发电机18可通过动力传输单元30(诸如行星齿轮组)来连接。当然，可使用其他类型的动力传输单元(包括其他齿轮组和变速器)来将发动机14连接到发电机18。在非限制性实施例中，动力传输单元30为行星齿轮组，所述行星齿轮组包括环形齿轮32、中心齿轮34和齿轮架总成36。
[0034]
发电机18可由发动机14通过动力传输单元30来驱动，以将动能转化成电能。发电机18可替代地用作马达以将电能转化成动能，从而将扭矩输出到连接到动力传输单元30的轴38。由于发电机18可操作地连接到发动机14，因此发动机14的转速可由发电机18控制。
[0035]
动力传输单元30的环形齿轮32可以连接到轴40，所述轴40通过第二动力传输单元44连接到车辆驱动轮28。第二动力传输单元44可包括具有多个齿轮46的齿轮组。其他动力传输单元也可以是合适的。齿轮46将扭矩从发动机14传输到差速器48，以最终向车辆驱动轮28提供牵引力。差速器48可包括使得扭矩能够传输到车辆驱动轮28的多个齿轮。在非限制性实施例中，第二动力传输单元44通过差速器48机械地联接到车桥50，以将扭矩分配到车辆驱动轮28。
[0036]
马达22还可用于通过将扭矩输出到轴52来驱动车辆驱动轮28，所述轴也连接到第二动力传输单元44。在非限制性实施例中，马达22和发电机18作为再生制动系统的一部分协作，其中马达22和发电机18都可用作用来输出扭矩的马达。例如，马达22和发电机18可各自向电池组24输出电力。
[0037]
电池组24为示例性电动化车辆电池。电池组24可为高压牵引电池，其包括多个电池阵列25(即，电池总成或电池单元56分组)，所述多个电池阵列25能够输出电力以操作马
达22、发电机18和/或电动化车辆12的其他电气负载，以用于提供动力来推进车轮28。其他类型的能量存储装置和/或输出装置也可用于向电动化车辆12供电。
[0038]
在实施例中，电动化车辆12具有两种基本操作模式。电动化车辆12可在电动车辆(ev)模式下操作，在ev模式下，使用马达22用于(一般在没有来自发动机14的辅助的情况下)车辆推进，因而在某些驾驶模式/循环下会将电池组24的荷电状态消耗达其最大允许的放电率。ev模式是电动化车辆12的电荷消耗操作模式的示例。在ev模式期间，电池组24的荷电状态在某些情况下可增加，例如由于一段时间的再生制动。发动机14在默认ev模式下一般是关断的，但可根据需要基于车辆系统状态或在操作员准许的情况下操作。
[0039]
另外，电动化车辆12可在混合动力(hev)模式下操作，在hev模式下，使用发动机14和马达22两者用于车辆推进。hev模式是电动化车辆12的电荷维持操作模式的示例。在hev模式期间，电动化车辆12可减少马达22的推进使用，以便通过增加发动机14的推进来将电池组24的荷电状态维持在恒定或大致恒定的水平。在本公开的范围内，电动化车辆12还可在除了ev模式和hev模式之外的其他操作模式下操作。
[0040]
在某些状况诸如电池单元充电事件、电池单元放电事件、高温环境状况等期间，电池组24的电池单元56可能会产生相对大量的热量。期望管理该热量以改进电池单元56的容量和寿命，并因此改进电池组24的效率。因此，下面详细描述用于主动和有效地管理这种热量的系统和技术。
[0041]
图2示意性地示出了可结合到诸如图1的电动化车辆12的电动化车辆中的电池热管理系统54。电池热管理系统54可被控制以管理由各种车辆部件(诸如电动化车辆12的电池组24)产生的热负荷。在实施例中，电池热管理系统54选择性地将冷却剂c传递通过电池组24，以通过从电池组24的电池单元中去除热量来冷却电池组24。例如，冷却剂c可循环通过电池组24的内部冷却回路58，以在对流热传递过程中从电池单元中去除热量。
[0042]
电池热管理系统54包括用于使冷却剂c循环的冷却剂子系统60。冷却剂子系统60或冷却剂回路使诸如水与乙二醇或任何其他合适的冷却剂的混合之类的冷却剂c循环，以对电池组24进行热管理。在实施例中，冷却剂子系统60包括至少散热器62、泵64和阀66。尽管仅示意性地示出，但是冷却剂子系统60的各个部件可通过诸如管、软管、管道等的导管或通道流体地互连。
[0043]
在冷却剂子系统60的操作期间，热能在散热器62内从冷却剂c传递到车辆外部的环境空气。风扇68可定位成与散热器62相邻，并且被配置为汲取气流f通过散热器62，以与冷却剂c进行对流热传递。例如，气流f与冷却剂c交换热量，当这两种流体流过散热器62时。然后，冷却的冷却剂c可返回到电池组24，以冷却电池单元56。
[0044]
泵64使冷却剂c循环通过冷却剂子系统60。在实施例中，泵64位于电池组24的出口77与散热器62的入口65之间。但是，泵64可位于冷却剂子系统60内的其他位置。
[0045]
阀66可被控制为在冷却剂c已经循环通过电池组24之后允许或阻止冷却剂c流回到散热器62。在实施例中，阀66的默认位置是打开的，以允许冷却剂c从电池组24返回到散热器62。
[0046]
电池组24的温度可基于许多因素而波动，所述因素包括但不限于车速、电池组24的安培小时使用量、环境温度等。在相对炎热的环境状况下并且取决于当前车速，散热器62在冷却电池组24方面可能变得不太有效，因为环境空气温度与进入散热器62的冷却剂c的
温度之间的差可能相对较小。这可导致离开散热器62的出口67的冷却剂c的温度与进入散热器62的冷却剂c的温度相同或甚至比其更高。因此，如下面更详细地讨论的，当满足某些状况时，可能希望限制散热器62的使用。
[0047]
电池热管理系统54另外可包括冷却剂温度传感器70(即，第一传感器)、环境温度传感器72(即，第二传感器)和车速传感器74(即，第三传感器)。冷却剂温度传感器70适于在冷却剂c离开散热器62之后但在其进入电池组24之前感测冷却剂c的温度。在实施例中，冷却剂温度传感器70定位在电池组24的入口75处或附近。在该示例中，入口75位于散热器62的出口67的下游。然而，在本公开的范围内也预期其他位置。
[0048]
环境温度传感器72被配置为感测环境温度或电动化车辆12周围的周围环境的温度。车速传感器74被配置为在电动化车辆10的操作期间(例如，当被接通并且沿着道路运动时)感测电动化车辆10的速度。环境温度传感器72和车速传感器74可位于电动化车辆12上的任何位置。
[0049]
控制单元76可控制电池热管理系统54的操作。控制单元76可为与电池热管理系统54相关联的独立控制单元，或者可为整个车辆控制单元(诸如包括动力传动系统控制单元、变速器控制单元、发动机控制单元、电池控制模块等的车辆系统控制器(vsc))的一部分。因此，应当理解，控制单元76和一个或多个其他控制器可统称为“控制单元”，其被配置为响应于来自与电池热管理系统54相关联的各种传感器的信号，诸如通过多种集成算法来控制各种致动器。例如，构成vsc的各种控制器可使用共用的总线协议(例如，can)来彼此通信。
[0050]
在实施例中，控制单元76用可执行指令编程，用于与电池热管理系统54的各个部件介接以及操作所述各个部件，以对由电池组24产生的热量进行热管理。控制单元76可包括用于与电池热管理系统54的各个部件介接的各种输入和输出，所述各个部件包括但不限于电池组24、泵64、阀66、冷却剂温度传感器70、环境温度传感器72和车速传感器74。控制单元76还可包括处理单元78和非暂时性存储器80，以用于执行电池热管理系统54的各种控制策略和模式。
[0051]
在实施例中，控制单元76被配置为控制电池热管理系统54，使得仅当确定散热器62能够降低冷却剂c的温度时，散热器62才用于在冷却剂c与环境气流f之间执行热传递。控制单元76可从冷却剂温度传感器70、环境温度传感器72和车速传感器74中的每一者接收反馈，以确定是否允许冷却剂c经由阀66流入散热器62。
[0052]
如下面更详细讨论的，阀66的位置可由控制单元76控制以基于由环境温度传感器72感测到的环境温度与由冷却剂温度传感器70感测到的冷却剂温度之间的差来限制散热器62的使用。散热器62的有效性还可为由车速传感器74感测到的车速的函数。使用已校准的计时器，控制单元76被配置为通过计算更准确地反映电动化车辆12的操作环境的修改后的环境温度，来确定感测到的车速是否是足以在最小的时间段内提供冷却益处的车速。
[0053]
继续参考图1-图2，图3示意性地示出了用于控制电动化车辆12的电池热管理系统54的示例性方法100。例如，方法100可以是控制策略，其被执行以确定电池热管理系统54的散热器62是否能够有效地降低在车辆操作期间的任何给定时间点在冷却剂子系统60内循环的冷却剂c的温度。在实施例中，控制单元76用适于执行示例性方法100或任何其他控制策略的一个或多个算法编程。在另一个非限制性实施例中，方法100作为可执行指令(例如，软件代码)存储在控制单元76的存储器80中。
[0054]
方法100可在框102处开始。在框104处，控制单元76可通过确定由环境温度传感器72感测到的当前环境温度是否大于散热器使能温度来确定散热器62当前是否可用于冷却冷却剂子系统60的冷却剂c。散热器使能温度是可存储在控制单元76的存储器80中的预定义温度值或温度值范围。在实施例中，散热器使能温度是0摄氏度(32华氏度)与20摄氏度(68华氏度)之间的温度。
[0055]
如果在框104处返回否标志，则方法100前进到框106，在该点处确定散热器62不可用。因此，散热器62不用于对电池组24进行热管理。当确定散热器62不可用时，控制单元76可将阀66从默认的打开位置(即，第一位置)致动到关闭位置(即，第二位置)，以阻止冷却剂c流到散热器62。当确定散热器62不可用时，控制单元76可任选地命令泵64关闭。
[0056]
替代地，如果在框104处返回是标志，则方法100前进到框108。在该步骤处，控制单元76可确定由车速传感器74感测到的当前车速是否大于车速阈值。车速阈值是可在控制单元76的存储器80中编程的预定义速度值或速度值范围。在实施例中，车速阈值在每小时约10英里(+/-每小时2英里)与每小时约30英里(+/-每小时2英里)之间。
[0057]
如果在框108处返回是标志，则方法100前进到框110。替代地，如果在框108处返回否标志，则方法100可前进到框116。
[0058]
首先假设在框108处已经返回了是标志，则控制单元76可在框110处启动环境温度修改器高速计时器。环境温度修改器高速计时器是控制单元76的校准计时器，并且被配置为监控车速维持在车速阈值以上的时间量。在框112处，将环境温度修改器高速计时器跟踪的时间与高速环境超时进行比较。在实施例中，高速环境超时在30秒与120秒之间。如果由环境温度修改器高速计时器监控的时间超过高速环境超时，则在框114处计算修改后的环境温度。可通过将第一偏移值应用于由环境温度传感器72感测到的环境温度来计算修改后的环境温度。在实施例中，第一偏移值可被加到环境温度，并且可在较高速度下在2摄氏度与3摄氏度之间，或者在车辆10停止时在6摄氏度与10摄氏度之间。
[0059]
替代地，假设在框108处已经返回了否标志，则控制单元76可在框116处启动环境温度修改器低速计时器。环境温度修改器低速计时器是控制单元76的另一个校准计时器，并且被配置为监控车速维持在车速阈值以下的时间量。在框118处，将环境温度修改器低速计时器跟踪的时间与低速环境超时进行比较。在实施例中，低速环境超时在30秒与120秒之间。如果由环境温度修改器低速计时器监控的时间超过低速环境超时，则在框120处计算修改后的环境温度。可通过将第二偏移值应用于由环境温度传感器72感测到的环境温度来计算修改后的环境温度。在实施例中，第二偏移值被加到环境温度。在另一个实施例中，第二偏移值是比第一偏移值更小的偏移值，这是因为通常认为环境温度传感器72的环境温度读数在较低速度下不太准确。
[0060]
方法100可从框114或框120前进到框122。在框122处，控制单元76可估计散热器62的当前有效性。可通过将冷却剂c的冷却剂温度(从环境温度传感器72获得)与修改后的环境温度(在框114或框120处获得)进行比较来估计散热器62的当前有效性。如果冷却剂温度超过修改后的环境温度，则在框124处确定散热器62对于冷却电池组24是有效的，且因此通过将阀66保持在打开位置来允许其使用。替代地，如果冷却剂温度低于修改后的环境温度，则在框106处确定散热器62当前对于冷却电池组是无效的，且通过将阀66致动到关闭位置来阻止其使用。
[0061]
如由“循环”框126示意性地示出，可在电动化车辆12的操作期间连续地执行上述方法100，以便连续地监控散热器62的可用性和有效性以对电池组24进行热管理。
[0062]
图4示意性地示出了另一个示例性电池热管理系统154。电池热管理系统154类似于图2的电池热管理系统54。但是，在该实施例中，电池热管理系统154的冷却剂子系统60包括冷却器回路82。冷却器回路82可包括冷却器84，所述冷却器84被配置为在某些状况期间冷却冷却剂c。
[0063]
阀66可控制冷却剂c向散热器62、冷却器84或两者的流动。进入冷却器回路82的冷却剂c可传递通过冷却器84，在冷却器84处与制冷剂子系统86的制冷剂交换热量。换句话说，冷却器84促进热能在冷却器回路82与制冷剂子系统86之间的传递。在实施例中，制冷剂子系统86是制冷剂回路，所述制冷剂回路使制冷剂循环以将热能传递到电动化车辆12的乘客车厢(未示出)或从电动化车辆12的乘客车厢传递热能和/或将热能传递到冷却器回路82或从冷却器回路82传递热能。
[0064]
可在电池热管理系统154上执行图3的方法100，以确定散热器62当前是否可用和有效以将足够量的热能从冷却剂c传递到环境空气，以便有效地冷却电池组24。在确定散热器62对于此目的无效的情况下，可采用冷却器回路82来完全提供或协助冷却。在实施例中，可控制阀66以将冷却剂c的流转移到冷却器84而不是散热器62。离开冷却器84的经冷却的冷却剂c可被引导到三通阀88，然后被引导到电池组24以冷却电池组24。
[0065]
本公开的示例性电池热管理系统根据修改后的环境温度、冷却剂温度和车速来连续监控散热器的冷却有效性。所述系统通过减少冷却器的运行时间来提供改进的燃料经济性，通过减少阀的切换来改进部件的可靠性，并且由于在车辆生命周期内降低了平均温度而延长电池的使用寿命。
[0066]
尽管不同的非限制性实施例被示出为具有特定的部件或步骤，但本公开的实施例不限于那些特定组合。可将来自非限制性实施例中的任一个的部件或特征中的一些与来自其他非限制性实施例中的任一个的特征或部件组合使用。
[0067]
应理解，贯穿若干图示，相似的附图标记标识对应或类似的元件。应理解，尽管在这些示例性实施例中公开和示出了特定的部件布置，但其他布置也可受益于本公开的教导。
[0068]
前述描述应被解释为说明性的而不是以任何限制性意义来解释。本领域普通技术人员将理解，在本公开的范围内可发生一些修改。出于这些原因，应研究所附权利要求来确定本公开的真实范围和内容。