УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ НЕОБХОДИМОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ БАТАРЕИ В ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ
DEVICE TO MAINTAIN NECESSARY BATTERY TEMPERATURE IN VEHICLE

Настоящее изобретение относится к устройству для поддержания необходимой температуры батареи в транспортном средстве, в соответствии с преамбулой пункта 1 формулы изобретения.
Гибридные транспортные средства с электрическим приводом в сочетании с некоторыми другими видами топлива оснащены одной или несколькими батареями для хранения электрической энергии и регулирующим оборудованием для регулирования перетока электрической энергии между батареей и электромашиной, которая попеременно используется то в качестве двигателя, то в качестве генератора, в зависимости от рабочего состояния транспортного средства. Батарея и регулирующее оборудование неизбежно подвергаются некоторому нагреванию в процессе эксплуатации. Для оптимальной работы батареи и регулирующего оборудования они не должны нагреваться до слишком высокой температуры.
В зависимости от ее типа, батарея не должна нагреваться выше максимально высокой температуры, например, порядка 45°C. Регулирующее оборудование может нагреваться до температуры несколько большей. Поэтому батарее и регулирующему оборудованию необходимо охлаждение в процессе эксплуатации. Большинство батарей имеют оптимальную рабочую температуру между 20° и 30°C. Поэтому иногда также может потребоваться нагревать батарею, когда она имеет слишком низкую температуру.
Известной практикой является использование воздуха для охлаждения батарей в гибридных транспортных средствах, но воздух должен быть высокого качества, потому что батареи чувствительны к загрязняющим веществам и влажности.
Таким образом, известная практика состоит в том, что батарея должна располагаться в пространстве кабины водителя транспортного средства, где поддерживается воздух высокого качества при подходящей температуре. В таких случаях вентилятор может генерировать поток охлаждающего воздуха через батарею. Однако по разным причинам желательно, чтобы батарея была расположена где-то в другом месте транспортного средства, чем пространство кабины. Другая известная практика заключается в размещении батареи в пространстве двигателя транспортного средства. Так как воздух в пространстве двигателя транспортного средства более или менее загрязнен, он не может быть использован непосредственно для охлаждения батареи. В таких случаях батарею заключают в кожух подходящим способом и используют установку для кондиционирования воздуха, чтобы ее охладить. Когда батарею нужно нагреть, это может быть осуществлено посредством электрических компонентов или посредством теплоносителя из системы охлаждения, который охлаждает двигатель. Таким образом, требуется относительно сложная компоновка для поддержания необходимой температуры батареи в пространстве двигателя. Использование установки для кондиционирования воздуха для охлаждения батареи в процессе эксплуатации включает в себя также подвод относительно большого количества энергии.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является предложение компоновки в виде относительно простой конфигурации способной как нагревать, так и охлаждать батарею, так что последняя может поддерживать необходимую рабочую температуру.
Эта цель достигается с помощью компоновки такого рода, как упомянутая во введении, которая характеризуется признаками, указанными в характеризующей части пункта 1 формулы изобретения. Батарея, таким образом, охлаждается системой охлаждения с циркулирующим теплоносителем. Такая система охлаждения может иметь относительно простую конфигурацию и предназначаться для основного охлаждение батареи. Транспортное средство, таким образом, содержит также установку для кондиционирования воздуха для охлаждения пространства кабины транспортного средства. Согласно настоящему изобретению, эта установка для кондиционирования воздуха снабжена вторым контуром, который содержит дополнительный конденсатор и дополнительный испаритель. Второй конденсатор можно использовать для осуществления нагревания теплоносителя в системе охлаждения и таким образом для нагревания батареи, когда это требуется. Второй испаритель во втором контуре можно использовать, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение теплоносителя в системе охлаждения и таким образом для дополнительного охлаждения батареи, когда это требуется. Этот случай, таким образом, предполагает использование относительно простой системы охлаждения с циркулирующим теплоносителем для основного охлаждения батареи в контейнере. Когда требуется дополнительное охлаждение или батарею необходимо нагреть, отчасти можно использовать упомянутую существующую установку для кондиционирования воздуха, чтобы нагреть или охладить батарею, так чтобы поддерживать необходимую рабочую температуру батареи. Такая компоновка может иметь относительно простую конструкцию с относительно небольшим числом компонент.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, компоновка содержит контейнер, выполненный с возможностью ограждать батарею. Корпус в контейнере препятствует окружающему воздуху вступать в прямой контакт с батареей. Поэтому, даже возможно, чтобы контейнер с батареей были расположены в различных местах транспортного средства, где окружающий воздух содержит загрязняющие вещества и влагу. Второй конденсатор и второй испаритель также, предпочтительно, находятся внутри контейнера, в этом случае они находятся в защищенном месте в чистой окружающей среде.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, второй контур со вторым конденсатором и вторым испарителем располагается параллельно относительно первого контура с первым конденсатором и первым испарителем. С таким вариантом установки для кондиционирования воздуха общий компрессор можно использовать для передачи хладагента как в первый контур, так и второй контур. Тот же самый компрессор также может быть использован для отвода назад испарившегося хладагента как от первого испарителя, так и от второго испарителя. Батареи имеют необходимую рабочую температуру, которая соответствует приблизительно температуре воздуха в пространстве кабины. Это облегчает использование одной установки для кондиционирования воздуха.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, упомянутый радиатор, который охлаждает теплоноситель в системе охлаждения, является радиатором с воздушным охлаждением. Радиатор, предпочтительно, расположен в месте в транспортном средстве, где имеется воздух при температуре среды, протекающей через него, при этом теплоноситель может подвергаться охлаждению в радиаторе до температуры, близкой к температуре среды. Охлаждающий вентилятор может быть предусмотрен рядом с радиатором, чтобы сделать охлаждение теплоносителя в радиаторе более эффективным. Радиатор может быть расположен в месте с наружной стороны рядом с контейнером, при этом он может быть прикреплен на внешнюю поверхность контейнера. Это дает возможность трубкам системы охлаждения быть очень короткими.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения, система охлаждения содержит средства циркуляции, способные прокачивать теплоноситель в двух разных направлениях через систему охлаждения. Такие средства циркуляции могут принимать вид реверсивного насоса, при этом радиатор может, предпочтительно, быть расположен в месте в системе охлаждения между вторым конденсатором и вторым испарителем. Это дает возможность для теплоносителя, циркулирующего в данном направлении, подвергаться окончательному охлаждению во втором испарителе до его подведения к батарее, при этом теплоноситель, подведенный к батарее, будет иметь более низкую температуру, чем когда он только охлажден в радиаторе, и холодный теплоноситель обеспечивает здесь очень эффективное охлаждение батареи. При циркуляции в противоположном направлении теплоноситель подвергается окончательному нагреванию во втором конденсаторе до его подведения к батарее, при этом теплоноситель, подведенный к батарее, будет иметь относительно высокую температуру. Теплоноситель, циркулирующий в этом противоположном направлении, обеспечивает эффективное нагревание батареи. Если батарея имеет слишком низкую температуру, теплоноситель вследствие этого циркулирует в направлении, в котором он нагревает батарею, и если батарея имеет слишком высокую температуру, теплоноситель циркулирует в противоположном направлении, в котором он охлаждает батарею.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения, компоновка содержит блок управления, выполненный с возможностью управлять компоновкой так, что хладагент циркулирует только по второму контуру в период, когда одна система охлаждения имеет недостаточную мощность для поддержания необходимой рабочей температуры батареи. Охлаждение батареи теплоносителем, который циркулирует в системе охлаждения, включает в себя, по существу, только поставку энергии, чтобы запустить насос или подобные средства циркуляции для прокачки теплоносителя. Количество энергии, потребляемой при циркуляции теплоносителя относительно невелико. Запуск установки для кондиционирования воздуха приводит к значительно большему потреблению энергии. Если установка для кондиционирования воздуха используется только в периоды, когда одна система охлаждения имеет недостаточную мощность для поддержания необходимой рабочей температуры батареи, это таким образом является преимуществом с энергетической точки зрения. Поэтому с точки зрения обеспечения энергетического преимущества блок управления принимает информацию, предпочтительно, от датчика температуры, который определяет температуру батареи, чтобы решить, должна ли быть установка для кондиционирования воздуха активирована или нет. Когда требуется привести в действие установку для кондиционирования воздуха, блок управления решает, в каком направлении должен циркулировать теплоноситель, чтобы батарея подвергалась необходимому охлаждению или нагреванию.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, компоновка содержит регулирующее оборудование, выполненное с возможностью регулировать переток электрической энергии в и от батареи, регулирующее оборудование, которое также располагается внутри контейнера, в котором оно соприкасается с циркулирующим теплоносителем в зоне теплопередачи системы охлаждения. Такое регулирующее оборудование также подвергается нагреванию в процессе эксплуатации. Поэтому возможно целесообразно охлаждать регулирующее оборудование с помощью той же системы охлаждения, какой охлаждается батарея. Однако обычно регулирующее оборудование может нагреваться до несколько более высокой температуры, чем батарея. Соответствующие потоки теплоносителя в батарею и регулирующее оборудование могут иметь такие размеры, что батарея подвергается охлаждению до более низкой температуры, чем регулирующее оборудование.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительный вариант осуществления изобретения описывается ниже посредством примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на Фиг. 1 изображено гибридное транспортное средство с контейнером для батареи,
на Фиг. 2 изображена компоновка для поддержания нужной рабочей температуры батареи и
на Фиг. 3 изображена компоновка по Фиг. 2 в другом рабочем состоянии.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 изображено грузовое транспортное средство 1, снабженное пространством 2 кабины водителя и грузовым пространством 3. Кузов грузового транспортного средства 1 содержит продольные несущие элементы 4. Грузовое транспортное средство 1 представляет собой гибридное транспортное средство с приводом от схематически изображенного двигателя 5 внутреннего сгорания и/или схематически изображенного электрического генератора 6. Когда электрический генератор 6 служит в качестве двигателя, он приводит в движение транспортное средство 1 либо сам по себе, либо в сочетании с двигателем 5. Электрический генератор 6 служит в качестве генератора в периоды, когда транспортное средство 1 притормаживает. Электрический генератор 6 может сам тормозить транспортное средство до определенного уровня торможения. При более высоких уровнях торможения процесс торможения дополняется эксплуатационными тормозами транспортного средства. Контейнер 7 закреплен на одном из несущих элементов 4. Батарея 8 для хранения электрической энергии и регулирующее оборудование 9 для регулирования перетока электрической энергии между батареей 8 и электрическим генератором 6 располагаются в контейнерном устройстве 7.
На Фиг. 2 и 3 контейнер 7 изображен более подробно. Контейнер 7 закрыт и содержит внутреннее пространство 11. Батарея 8 и упомянутое регулирующее оборудование 9 располагаются в замкнутом пространстве 11. Батарея 8 и регулирующее оборудование 9, таким образом, являются полностью защищенными от окружающего воздуха, который может быть влажным и загрязненным. Система 12 охлаждения с циркулирующим теплоносителем расположена так, чтобы соприкасаться для теплопередачи с батареей 8 и регулирующим оборудованием 9 внутри контейнера 7. Реверсивный насос 13 прокачивает теплоноситель через систему охлаждения 12. Радиатор 14 располагается на внешней стороне контейнера 7, соприкасается с окружающим воздухом. Вентилятор 15 предусмотрен для того, чтобы прогонять воздух через радиатор 14 для того, чтобы сделать более эффективным охлаждение теплоносителя. Теплоноситель соприкасается для теплопередачи с батареей 8 в зоне 12а линии. Теплоноситель соприкасается для теплопередачи с регулирующим оборудованием 9 в зоне 12b линии.
Транспортное средство 1 снабжено установкой для кондиционирования воздуха для поддержания необходимой температуры в пространстве кабины 2. Установка для кондиционирования воздуха содержит компрессор 16, выполненный с возможностью подвергать сжатию газообразный хладагент. Газообразный хладагент тем самым приобретает повышенное давление и повышенную температуру. Установка для кондиционирования воздуха содержит первый контур с первым конденсатором 17, в котором газообразный хладагент охлаждается до температуры, при которой происходит конденсация. Здесь первый конденсатор 17 расположен на передней части транспортного средства 1, соприкасается с окружающим воздухом. Вентилятор 18 прогоняет поток воздуха через конденсатор 17.
Сконденсировавшийся хладагент подводится к дроссельному вентилю 20, в котором он подвергается дросселированию и тем самым приобретает более низкое давление и низкую температуру. Хладагент после этого подводится к испарителю 21, расположенному в пространстве 2 кабины или близко. Вентилятор 22 прогоняет воздух в пространство кабины через испаритель 21. Хладагент нагревается от воздуха в испарителе 21 до температуры, при которой испаряется. Воздух в пространстве 2 кабины, таким образом, подвергается соответствующему охлаждению. Парообразный хладагент в испарителе 21 втягивается обратно в компрессор 16. Эта часть установки для кондиционирования воздуха соответствует, по существу, обычной установке для кондиционирования воздуха.
В этом случае, однако, установка для кондиционирования воздуха содержит второй контур. Второй контур принимает нагретый газообразный хладагент из компрессора 16 в месте 23 на первом контуре. Газообразный хладагент подводится ко второму контуру к второму конденсатору 24, в котором он охлаждается до температуры, при которой происходит конденсация. Второй конденсатор 24 расположен внутри контейнера 7, где он нагревает теплоноситель, который циркулирует в системе охлаждения 12. Сконденсировавшийся хладагент подводится к дроссельному вентилю 25, в котором он подвергается дросселированию и тем самым приобретает более низкое давление и низкую температуру. Хладагент после этого подводится ко второму испарителю 26 также расположенному внутри контейнера 7, где он охлаждает теплоноситель, который циркулирует в системе охлаждения 12. Хладагент нагревается во втором испарителе 26 до температуры, при которой испаряется. Парообразный хладагент втягивается обратно из второго испарителя 26 в первый контур, через местоположение 27 посредством компрессора 16.
Блок 28 управления управляет установкой для кондиционирования воздуха. Блок 28 управления принимает информацию от первого датчика 29 температуры, который определяет температуру воздуха в пространстве 2 кабины водителя, и от второго датчика 30 температуры, который определяет температуру батареи. Блок 28 управления использует эту информацию для управления работой компрессора 16 и реверсивного насоса 13 в системе 12 охлаждения. Блок 28 управления также управляет первым вентилем 31, с помощью которого поток хладагента через первый контур может быть предотвращен, и вторым вентилем 32, с помощью которого поток хладагента через второй контур может быть предотвращен.
В процессе эксплуатации транспортного средства блок 28 управления принимает информацию от датчика 30 температуры о температуре батареи 8. Когда энергия запасается в батарее 8 или когда батарея 8 поставляет энергию для работы транспортного средства 1, батарея 8 и электрические компоненты 9 неизбежно подвергаются нагреванию. Для их оптимальной работы, батарея 8 должна иметь температуру между 20 и 30°C. Батарея не должна быть выше максимально допустимой температуры. Эта температура меняется от батареи к батарее. Регулирующему оборудованию 9 также не следует иметь температуру выше максимально допустимой температуры, которая обычно может быть несколько выше максимально допустимой температуры батареи. Для предотвращения выхода батареи 8 за предел максимально допустимой температуры, насос 13 прокачивает теплоноситель через систему охлаждения в направлении, изображенном на Фиг. 2. Теплоноситель циркулирует здесь, в двух параллельных зонах линий 12а, 12b в соприкосновении для теплопередачи с батареей 8 и регулирующим оборудованием 9 соответственно. В течение нормальной работы теплоноситель, таким образом, охлаждает батарею 8 и регулирующее оборудование 9. Нагретый теплоноситель подводится к радиатору 14, в котором он охлаждается воздухом при температуре окружающей среды. Тепловая энергия, таким образом, освобождается в радиатор 14. Поскольку блок 28 управления принимает информацию о том, что батарея поддерживает приемлемую температуру, он держит вентиль 32 в закрытом положении, в котором хладагент не подводится через второй контур, который содержит второй конденсатор 24 и второй испаритель 26. Блок 28 управления принимает информацию также от датчика 29 температуры. Если воздух в пространстве 2 кабины необходимо охлаждать, блок 28 управления активирует компрессор 16 и открывает вентиль 31 так, что хладагент проходит через первый контур.
Если он принимает информацию от датчика температуры 30 о том, что батарея 8 выше максимально допустимой температуры, блок 28 управления обнаруживает, что одна система 12 охлаждения не способна охладить батарею. Такое может быть обнаружено, если батарея 8 достигает значения температуры выше порогового, установленного с некоторым запасом по отношению к максимально допустимой температуре. Когда блок 28 управления обнаруживает, что это так, он активирует компрессор 16, если тот еще не активирован, и открывает вентиль 32. Это приводит, по меньшей мере, к тому, что часть хладагента из компрессора от 16 должна подводиться через второй контур. Хладагент во втором контуре достигает первоначально второго конденсатора 24, в котором он охлаждается теплоносителем до температуры, при которой происходит конденсация. Теплоноситель в системе 12 охлаждения таким образом подвергается соответствующему нагреванию во втором конденсаторе 24. Нагретый теплоноситель после этого подводится к радиатору 14, в котором он охлаждается окружающим воздухом. Хладагент подвергается дросселированию в регулирующем вентиле 25 прежде чем он достигнет второго испарителя 26. Хладагент подводится ко второму испарителю 26 при пониженном давлении и пониженной температуре. Давление и температура хладагента здесь будут такими, что он испаряется во втором испарителе 26 при температуре, которая, безусловно, ниже, чем температура окружающей среды. Когда теплоноситель достигает второго испарителя 26, он может таким образом подвергнуться второй стадии охлаждения до температуры, которая с преимуществом ниже, чем температура окружающей среды. Охлажденный теплоноситель от второго испарителя 26 подводится к батарее 8 и регулирующему оборудованию 9, чтобы охладить их. После того, как хладагент испарится во втором испарителе 26, он подводится обратно в первый контур в месте 27.
Использование второго контура установки для кондиционирования воздуха, таким образом, подвергает теплоноситель нагреванию во втором конденсаторе 24, охлаждению в радиаторе 14 и окончательному охлаждению во втором испарителе 26 до его подвода к батарее 8 и регулирующему оборудованию 9. Так как теплоноситель первоначально нагревают во втором конденсаторе 24, то когда он выходит из радиатора 14, то при несколько более высокой температуре, чем когда используется только система охлаждения. Однако окончательное охлаждение второго испарителя 26 позволяет охлаждать теплоноситель до температуры ниже температуры окружающей среды. Такое охлаждение не возможно в радиаторе 14, в котором окружающий воздух используется в качестве охлаждающего агента. Охлаждение теплоносителя до температуры ниже окружающей среды может быть необходимым для предотвращения достижения батареей неприемлемо высокой температуры, особенно, когда температура окружающей среды высокая. Однако запуск установки для кондиционирования воздуха влечет за собой потребление энергии. В этом случае система для кондиционирования воздуха используется только для охлаждения батареи в то время, когда это необходимо. Использование установки для кондиционирования воздуха и последующее потребление энергии для охлаждения батареи 8 и регулирующего оборудования 9, таким образом, сводится к минимуму.
При холодном запуске транспортного средства или при очень низкой температуре среды блок 28 управления может принимать значения температуры с датчика температуры 30, которые показывают, что температура батареи недопустимо низкая, как изображено на Фиг. 3. В этом случае блок 28 управления запускает компрессор 16 и в то же время открывает вентиль 32. Хладагент, таким образом, подводится через второй контур. В этих условиях первый контур обычно не используется для охлаждения воздуха в пространстве 2 кабины. Вентиль 31, таким образом, вероятно, закрыт. Блок 28 управления активирует здесь реверсивный насос 13 для прокачки теплоносителя в направлении, противоположном системе охлаждения, по сравнению с тем, когда батарея 8 и регулирующее оборудование 9 охлаждаются. Теплоноситель, выходящий из батареи 8 и регулирующего оборудования 9, здесь подводится первоначально через второй испаритель 26, в котором он подвергается охлаждению. Теплоноситель после этого подводится через радиатор 14, в котором его нагревает воздух в то время, когда он холоднее, чем воздух. Это приводит к подаче тепловой энергии теплоносителю в радиаторе 14. Теплоноситель подводится, наконец, через второй конденсатор 24, в котором он подвергается нагреванию до температуры, которая, безусловно, выше, чем температура среды. Нагретый теплоноситель подводится через зоны линий 12а, 12b, в которых он относительно быстро нагревает батарею 8 и регулирующее оборудование 9 до приемлемой температуры. Когда он принимает информацию от датчика температуры 30 о том, что батарея достигла приемлемой температуры, блок 28 управления отключает компрессор 16 и в то же время закрывает вентиль 32, так что циркуляция хладагента через второй контур прекращается. В этом случае установка для кондиционирования воздуха используется, чтобы нагреть батарею. Установка для кондиционирования воздуха, согласно изобретению, таким образом, может быть использована как для охлаждения, так и для нагревания батареи 8 и регулирующего оборудования 9 с целью поддержания их необходимой температуры.
Изобретение никоим образом не ограничивается вариантом осуществления, к которому относятся чертежи, но может быть свободно изменено в пределах объема формулы изобретения. Контейнер 7 с батареей и регулирующим оборудованием 9 в этом случае крепятся к продольному элементу 4, но он может быть закреплен, по существу, в любой заданной позиции в транспортном средстве. Если транспортное средство является автобусом, контейнер 7 с батареей 8 и регулирующим оборудованием 9 может быть закреплен на крыше автобуса.