本發(fā)明總體涉及機(jī)動(dòng)車輛領(lǐng)域，并且更加具體地，涉及一種電動(dòng)車輛加熱分配系統(tǒng)及相關(guān)方法。

背景技術(shù)：

通過熱泵向例如電動(dòng)車輛這樣的車輛提供熱量的廣泛構(gòu)思是已知的。然而，當(dāng)面臨更高的環(huán)境溫度下的高效且經(jīng)濟(jì)問題時(shí)，當(dāng)前的熱泵技術(shù)不能夠在非常低的環(huán)境溫度下提供有效或甚至足夠的加熱能力。為了解決這一問題，已知的是通過附加熱源來補(bǔ)償由熱泵提供的熱量，這些附加熱源包括由車輛發(fā)動(dòng)機(jī)(在傳統(tǒng)機(jī)動(dòng)車輛中)或由電加熱器產(chǎn)生的熱量。問題是，在使用熱泵及像電加熱器這樣的一個(gè)或多個(gè)附加熱源的系統(tǒng)中，為了加熱系統(tǒng)的高效運(yùn)行，必須依據(jù)環(huán)境條件確定需要使用熱泵、電加熱器或二者的條件。正如已知的，在較高的環(huán)境溫度下使用熱泵是最高效的。在低環(huán)境溫度下，使用電加熱器更加有效。當(dāng)使用熱泵和電加熱器二者時(shí)，必須確定管理熱容量分配使其最高效。

為了解決這些及其他問題，本公開描述了一種包括熱泵和電加熱器的電動(dòng)車輛加熱分配系統(tǒng)，并且還描述了通過考慮環(huán)境溫度及熱泵效率指標(biāo)的因素來管理熱泵和電加熱器之間的熱容量分配的相關(guān)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)在此描述的目的及益處，描述了一種用于電動(dòng)車輛的加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括熱泵子系統(tǒng)、電加熱器子系統(tǒng)及控制器。一個(gè)或多個(gè)傳感器向控制器提供確定的環(huán)境溫度值及確定的熱泵運(yùn)行效率指標(biāo)值(metric value)。相應(yīng)地，控制器配置為，根據(jù)確定的環(huán)境溫度值和確定的熱泵運(yùn)行效率指標(biāo)值來確定熱泵子系統(tǒng)和電加熱器子系統(tǒng)的最優(yōu)加熱貢獻(xiàn)百分比。

在實(shí)施例中，電加熱器子系統(tǒng)包含高壓電加熱器。熱泵效率指標(biāo)值可以包含確定的熱泵壓縮機(jī)釋放壓力值。一個(gè)或多個(gè)傳感器中的至少一個(gè)是配置為向控制器提供確定的環(huán)境溫度值的環(huán)境溫度傳感器。一個(gè)或多個(gè)傳感器中的至少一個(gè)是配置為向控制器提供確定的熱泵壓縮機(jī)釋放壓力值的壓力傳感器。

在另一實(shí)施例中，控制器可以進(jìn)一步配置為將確定的環(huán)境溫度值與預(yù)先確定的環(huán)境溫度閾值進(jìn)行比較?？刂破骺梢耘渲脼橐坏┐_定該確定的環(huán)境溫度值未超過環(huán)境溫度閾值，就僅僅致動(dòng)電加熱器子系統(tǒng)。

另一方面，提供向上述包含熱泵子系統(tǒng)及電加熱器子系統(tǒng)的電動(dòng)車輛提供加熱的方法。該方法包括以下步驟：監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度并向控制器提供確定的環(huán)境溫度值、監(jiān)測(cè)熱泵運(yùn)行效率指標(biāo)值并向控制器提供確定的熱泵效率指標(biāo)值、以及根據(jù)確定的環(huán)境溫度及確定的熱泵效率指標(biāo)來確定熱泵子系統(tǒng)和電加熱器子系統(tǒng)的最佳加熱貢獻(xiàn)百分比。如上所述，在實(shí)施例中熱泵運(yùn)行效率指標(biāo)是熱泵壓縮機(jī)釋放壓力值，并且熱泵傳感器是壓力傳感器。

在實(shí)施例中，所描述的方法進(jìn)一步包括將確定的環(huán)境溫度值與預(yù)先確定的環(huán)境溫度閾值進(jìn)行比較的步驟，以及如果確定的環(huán)境溫度值未超過環(huán)境溫度閾值，則僅僅致動(dòng)電加熱器子系統(tǒng)的步驟。相應(yīng)地，該方法可以包括確定熱泵子系統(tǒng)及電加熱器子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)的步驟，以及，如果熱泵子系統(tǒng)被確定為不可操作，則僅僅致動(dòng)電加熱器子系統(tǒng)的步驟。另一方面，如果熱泵子系統(tǒng)及電加熱器子系統(tǒng)均被確定為可操作，則該方法包括計(jì)算熱泵子系統(tǒng)的功率乘數(shù)(power multiplier)以確定熱泵子系統(tǒng)的加熱貢獻(xiàn)百分比。

在另一實(shí)施例中，熱泵子系統(tǒng)功率乘數(shù)可以是確定的環(huán)境溫度值及熱泵壓縮機(jī)釋放壓力值的函數(shù)。所描述的方法包括以下步驟：通過將總的可用能量加熱預(yù)算乘以熱泵子系統(tǒng)功率乘數(shù)來計(jì)算熱泵子系統(tǒng)加熱貢獻(xiàn)百分比，以及通過總的可用能量加熱預(yù)算減去熱泵子系統(tǒng)的實(shí)際功率用量來計(jì)算電加熱器子系統(tǒng)的加熱貢獻(xiàn)。

下面的說明書中，示出并描述了電池電動(dòng)車輛加熱分配系統(tǒng)及方法的若干優(yōu)選實(shí)施例。正如應(yīng)該意識(shí)到的，加熱分配系統(tǒng)及方法能夠是其他不同的實(shí)施例，并且它們的若干細(xì)節(jié)能夠在不脫離下面的權(quán)利要求陳述并描述的系統(tǒng)及方法的多個(gè)顯著方面變化。相應(yīng)地，附圖及說明書應(yīng)該被看作是實(shí)質(zhì)上說明性的而非限制性的。

附圖說明

合并于此并且構(gòu)成說明書一部分的附圖說明了電池電動(dòng)車輛加熱分配系統(tǒng)及方法的若干方面，并且連同該說明書用于解釋其某些原理。在附圖中：

圖1是包括并入高壓加熱器和熱泵的加熱系統(tǒng)的電動(dòng)車輛的示意性框圖；以及

圖2是用于使用氣候控制系統(tǒng)提供圖1的電動(dòng)車輛內(nèi)的加熱分配的方法的流程圖。

現(xiàn)在詳細(xì)參照電池電動(dòng)車輛加熱分配系統(tǒng)及方法的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例，在所附附圖中說明其示例。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在參照?qǐng)D1，其示意性說明了實(shí)質(zhì)上具有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的電動(dòng)車輛1。首先，盡管該說明書及附圖主要描述了電池電動(dòng)車輛背景下所公開的電動(dòng)車輛加熱分配系統(tǒng)及方法，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將很容易想到的是所公開的主題很容易適用于任何電動(dòng)車輛。在高等級(jí)下，在此使用的術(shù)語“電動(dòng)車輛”包含純電動(dòng)車輛(BEV)，混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(HEV)，插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(PHEV)或者實(shí)際上任何具有電動(dòng)車輛行駛里程的車輛。實(shí)際上，所要求保護(hù)的主題可適應(yīng)于結(jié)合用于乘客艙氣候控制的熱泵和電加熱器的任何車輛，電動(dòng)的或其他車輛。因此，本公開不應(yīng)該被理解為限制性的。

作為背景技術(shù)，BEV包括電動(dòng)馬達(dá)，其中馬達(dá)的能量來源是牽引電池。BEV牽引電池可從外部電網(wǎng)重新充電。BEV牽引電池實(shí)際是上用于車輛推進(jìn)的唯一車載能量。HEV包括內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)及電動(dòng)馬達(dá)，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)的能量來源是燃料并且馬達(dá)的能量來源是牽引電池。在HEV牽引電池提供車輛推進(jìn)的補(bǔ)充能量(HEV牽引電池緩沖燃料能量并且以電力的形式恢復(fù)動(dòng)能)的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)是車輛推進(jìn)的主要能量來源。PHEV不同于HEV，因?yàn)镻HEV牽引電池比HEV牽引電池具有更大的容量并且PHEV牽引電池可從電網(wǎng)重新充電。PHEV牽引電池是車輛推進(jìn)的主要來源直到PHEV牽引電池消耗至低的能量水平，此時(shí)PHEV像HEV一樣運(yùn)行用于車輛推進(jìn)。

返回圖1，所述的電池電動(dòng)車輛1包括電池電動(dòng)控制模塊(BECM)2，電池3(在所述實(shí)施例中是高壓電池)以及與逆變器5關(guān)聯(lián)的傳動(dòng)控制模塊(TCM)4。電動(dòng)車輛1還包括向變速箱7提供驅(qū)動(dòng)力的電動(dòng)馬達(dá)6，變速箱7相應(yīng)地向接合輪胎8的車輛車軸/地面提供驅(qū)動(dòng)力。

所述的電動(dòng)車輛1還包括加熱系統(tǒng)10，該加熱系統(tǒng)10并入了大體上傳統(tǒng)的熱泵子系統(tǒng)12以及車輛乘客艙電加熱器子系統(tǒng)13，在所述的實(shí)施例中電加熱器子系統(tǒng)13包括高壓電加熱器14。熱泵制冷劑子系統(tǒng)12包括外部熱交換器(OHX)16、三向制冷劑閥18、內(nèi)部熱交換器(IHX)20及蒸發(fā)器22。加熱電子膨脹閥24自制冷劑-到-冷卻劑熱交換器(R2C2)26分散熱的流體，并且冷卻電子膨脹閥28向蒸發(fā)器22提供冷卻流體。熱泵子系統(tǒng)12還包括蓄積器30及壓縮機(jī)32。電加熱器子系統(tǒng)13包括通向冷卻劑熱交換器26、加熱器芯34、加熱器芯溫度(HCT)傳感器35及冷卻劑泵36的制冷劑。

控制器38(為了清楚起見結(jié)合車輛1以及熱泵子系統(tǒng)12和電加熱器子系統(tǒng)13描述)接收來自與熱泵子系統(tǒng)12和電加熱器子系統(tǒng)13的部件相關(guān)的傳感器的輸入，并且正如后面將描述的，控制器38控制熱泵子系統(tǒng)12和電加熱器子系統(tǒng)13的運(yùn)行以便在兩個(gè)部件之間為車輛的總的能量預(yù)算分配合適的比例以最大化加熱效率。這樣的控制器在本領(lǐng)域內(nèi)是已知的，其包括處理器及存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器包括計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令以便根據(jù)存儲(chǔ)的預(yù)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)表來確定熱泵子系統(tǒng)12和電加熱器14的最佳的能量分配。根據(jù)這些數(shù)據(jù)表，如下面將要表述的可以確定最佳的能量分配。

在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器40與熱泵壓縮機(jī)32相關(guān)聯(lián)，以便由此確定高壓側(cè)壓力釋放值并且將該值傳送至控制器38。類似地，提供至少一個(gè)環(huán)境溫度傳感器42，以便確定車輛外部的環(huán)境溫度值并且將該值傳送至控制器38。另外，傳感器44可以與車輛氣候控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，例如與氣候控制系統(tǒng)控制面板(未示出)相關(guān)聯(lián)，以便向控制器傳送已經(jīng)手動(dòng)或自動(dòng)產(chǎn)生乘客艙加熱的請(qǐng)求。這些傳感器的各種類型及配置在本領(lǐng)域中是非常常見的，并且沒必要在此完整描述。

正如已知的，在正常環(huán)境條件下熱泵子系統(tǒng)12是兩個(gè)加熱子系統(tǒng)(熱泵和電加熱器)中最有效的，并且因此在較高的環(huán)境溫度下，熱泵子系統(tǒng)12最有效地貢獻(xiàn)100％的提供至車輛乘客艙的加熱。然而，正如同樣已知的，傳統(tǒng)熱泵子系統(tǒng)具有最小的運(yùn)行溫度(例如，對(duì)于大多數(shù)傳統(tǒng)的機(jī)動(dòng)車輛熱泵系統(tǒng)來說該值當(dāng)前是-4°F)。隨著溫度接近熱泵子系統(tǒng)12的最小運(yùn)行溫度，熱泵子系統(tǒng)12的能效嚴(yán)重受損，并且電加熱器子系統(tǒng)13最有效地貢獻(xiàn)100％的提供至車輛乘客艙的加熱。隨著環(huán)境溫度降低至熱泵子系統(tǒng)12的最小運(yùn)行溫度，在這些極端情況之間，為了保持加熱過程中的最大能效，電加熱器子系統(tǒng)13在提供至乘客艙的總的加熱中貢獻(xiàn)增加的百分比以補(bǔ)償熱泵12在降低的環(huán)境溫度下效率的降低。

為了解決熱泵子系統(tǒng)12的能效隨環(huán)境溫度降低而降低這一問題，由控制器38及上述子系統(tǒng)實(shí)施的方法包括接收加熱請(qǐng)求，確定熱泵子系統(tǒng)12及電加熱器子系統(tǒng)13中的一個(gè)或兩個(gè)是否可操作，以及在熱泵子系統(tǒng)12和電加熱器子系統(tǒng)13之間分配用于加熱車輛乘客艙(未示出)的總的確定的能量預(yù)算的部分。在高水平下，考慮到確定的環(huán)境溫度及熱泵子系統(tǒng)12的運(yùn)行效率指標(biāo)的因素，在接收到來自氣候控制系統(tǒng)的熱量請(qǐng)求之后這通過在這兩個(gè)加熱源之間分布功率來完成。在一實(shí)施例中，使用的運(yùn)行效率指標(biāo)是熱泵壓縮機(jī)32的高壓側(cè)釋放壓力的量度。

參照?qǐng)D2，該方法在接收加熱請(qǐng)求(氣候熱量請(qǐng)求＞0；步驟202)時(shí)開始。這可以是手動(dòng)的，即，通過駕駛員或乘客啟動(dòng)車輛氣候控制系統(tǒng)，或者是自動(dòng)的，即，當(dāng)傳感器確定車輛乘客艙內(nèi)的溫度已經(jīng)降低至預(yù)設(shè)定值以下并且請(qǐng)求修正。

接下來，在步驟203，控制器38確定環(huán)境溫度是否高于預(yù)定閾值，即，環(huán)境溫度是否高于車輛的特定熱泵12的最小熱泵運(yùn)行環(huán)境溫度。如果否，即，環(huán)境溫度低于熱泵最小運(yùn)行溫度，則控制器38向電加熱器子系統(tǒng)13指示100％的用于加熱的總的能量預(yù)算(步驟204)。

如果環(huán)境溫度高于為車輛的特定熱泵子系統(tǒng)12設(shè)計(jì)的最小熱泵運(yùn)行環(huán)境溫度，則在步驟205，控制器38確定熱泵子系統(tǒng)12和電加熱器子系統(tǒng)13二者是否均可操作。如果否，則總的能量預(yù)算的分配將取決于這兩個(gè)子系統(tǒng)中的哪一個(gè)是可操作的。如果僅僅電加熱器子系統(tǒng)13是可操作的(步驟206)，則控制器38向電加熱器子系統(tǒng)13指示100％的用于加熱的總的能量預(yù)算(步驟204)。如果僅僅熱泵12是可操作的(步驟207)，則控制器38向熱泵子系統(tǒng)12指示100％的用于加熱的總的能量預(yù)算(步驟208)。

另一方面，如果熱泵子系統(tǒng)12和電加熱器子系統(tǒng)13二者均是可操作的，則控制器38使用從環(huán)境溫度傳感器42和熱泵壓縮機(jī)傳感器40獲取的輸入來確定熱泵功率乘數(shù)值(見步驟209)，并且使用該確定的功率乘數(shù)根據(jù)這兩個(gè)子系統(tǒng)可用的最大能量預(yù)算來計(jì)算熱泵能量預(yù)算(步驟210)及電加熱器能量預(yù)算(步驟211)。然后，根據(jù)這些由控制器38計(jì)算出的能量預(yù)算引發(fā)熱泵子系統(tǒng)12和電加熱器子系統(tǒng)13的每一個(gè)(步驟212)。

下面的表1陳述了數(shù)據(jù)表的一個(gè)可行的實(shí)施例，該數(shù)據(jù)表由控制器38使用以確定熱泵子系統(tǒng)12的功率乘數(shù)以根據(jù)可用的總的能量預(yù)算(總的功率)確定對(duì)熱泵子系統(tǒng)12的能量(功率)分配。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)想到的是表1是可校準(zhǔn)的表格，也就是說，其中的信息可以被調(diào)整/校準(zhǔn)至不同車輛熱泵子系統(tǒng)的規(guī)范，并且因此其中描述的具體值并不意味著限制性的。

數(shù)據(jù)表的一個(gè)軸示出了作為熱泵運(yùn)行效率的量度的熱泵壓縮機(jī)32高壓側(cè)壓力釋放值(kPa)。數(shù)據(jù)表的另一個(gè)軸示出了增加的環(huán)境溫度值，始于熱泵子系統(tǒng)12的最小運(yùn)行溫度(對(duì)于使用的特定熱泵子系統(tǒng)12來說是-4°F)并且示出了72°F的高的環(huán)境溫度值，在該溫度下車輛成員不會(huì)需要明顯的加熱。

表1 熱泵功率乘數(shù)(根據(jù)可用的最大功率的熱泵功率分布)

正如可以從前述數(shù)據(jù)表中看出的，在最低的選擇的環(huán)境溫度值(-4°F)下，通過控制器38的運(yùn)行，電加熱器子系統(tǒng)13貢獻(xiàn)100％的乘客艙加熱(熱泵子系統(tǒng)功率乘數(shù)＝0)。隨著環(huán)境溫度上升，控制器38使熱泵12貢獻(xiàn)增加的百分比的乘客艙加熱。例如，根據(jù)檢測(cè)的50°F及72°F的環(huán)境溫度(如由溫度傳感器42提供的)以及根據(jù)檢測(cè)的壓縮機(jī)32的500-1000kPa的高壓側(cè)壓力值(通過傳感器40)，熱泵功率乘數(shù)分別計(jì)算為0.75和1，即來自熱泵子系統(tǒng)12的75％及100％的乘客艙加熱的分別的貢獻(xiàn)。另一方面，隨著熱泵高壓側(cè)壓縮機(jī)32的壓力值增加，表示熱泵12的運(yùn)行效率更低，熱泵12對(duì)乘客艙加熱的相對(duì)貢獻(xiàn)降低，尤其是在50°F或更低的環(huán)境溫度下。對(duì)于在表1所示的溫度之間的溫度，系統(tǒng)提供各自的插值貢獻(xiàn)。對(duì)于非限定示例來說，對(duì)于56°F的溫度，系統(tǒng)將輸出87.5％的插值熱泵貢獻(xiàn)。一旦做出這些確定，控制器38就使熱泵子系統(tǒng)12和電加熱器子系統(tǒng)13在它們各自的閉合回路內(nèi)運(yùn)行，以便以可能的最佳的能效方式協(xié)調(diào)加熱乘客艙。

因此，通過前述說明書提供了一種用于最優(yōu)化使用熱泵和電加熱器的車輛氣候控制系統(tǒng)內(nèi)的加熱效率的簡(jiǎn)單、有效且穩(wěn)健的系統(tǒng)及方法。盡管發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)及方法尤其適用于純電動(dòng)車輛，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)想到的是該系統(tǒng)及方法容易適用于包括熱泵和電加熱器的任何類型的車輛。

已經(jīng)為說明及描述的目的呈現(xiàn)了上述說明。并不意味著窮舉或?qū)?shí)施例限定為所公開的精確形式。在上面的技術(shù)啟示下，各種修改和變形是可行的。當(dāng)根據(jù)它們公平合法且公正享有的范圍理解時(shí)，所有這些修改和變形均在所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。