[发明专利]基于动力涡轮能量回馈的发动机主动热管理系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及发动机热力学技术领域，特别是涉及在道路工况下基于动力涡轮能量回馈的发动机主动热管理系统的结构，工作原理以及能量管理的控制方法。

背景技术

根据热力学第一定律，内燃机中只有30％的有效燃油能量用于驱动车辆，其余的能量都以冷却水(30％)和排气(40％)的形式直接损失，造成了燃油能量的极大浪费。近年来，使用余热能量回收技术在发动机机外采取措施来提升发动机有效热效率，成为有别于传统提升发动机热效率的新途径。

此外，由于发动机及附属部件如水泵、风扇等都是在稳态工况点进行设计和匹配的，现今普遍使用的皮带驱动方式使得在发动机转速一定的情况下附件的转速不能灵活地依据发动机系统的散热需求进行主动调节，因此发动机会出现过冷或者过热的情况进而使得发动机热状态恶化，燃油经济性较差。当发动机运行在实际道路工况下(特别是低转速中小负荷的城市道路工况)的时候，固定速比的机械附件不能很好地适应道路工况条件下瞬态过程的复杂性和时变性，效率降低，能耗增高的缺陷更加凸显，造成了内燃机能量的进一步浪费。因此，如何对喷入发动机气缸中的燃油能量进行更充分的利用及分配是提高内燃机有效热效率，降低二氧化碳排放的关键问题之一。

针对上述问题，从提高机械附件控制自由度的角度出发，世界各大研究机构首先针对道路工况下内燃机冷启动时间长、热状态差、附件能耗高以及排放差等问题，对内燃机中的传统热管理系统进行了改造。通过风扇，水泵和节温器等部件的智能电子化控制，实现了冷却水热量损失的降低，通过更合理地控制道路工况下发动机的热状态，改善了发动机的燃油经济性和排放性能。但是热管理系统智能化控制的过程中，也面临附件能耗波动大，电能来源不足，电池储能能力有限等问题的制约。如何解决道路工况下热管理系统的驱动能量供给也是需要考虑的问题。

从发动机余热能量回收的角度出发，世界各大公司及研究机构分别对不同的技术如朗肯底循环、热电直接转换以及动力涡轮技术进行了研究。其中动力涡轮由于在技术、体积、成本等方面的优势被认为是最有实用化潜力的余热利用技术。现有的动力涡轮技术有机械复合动力涡轮技术和动力涡轮发电技术。其中动力涡轮发电技术是指涡轮进一步将排气中的余压能转化为电能的技术。将主动热管理系统的电动附件用能和动力涡轮的产能进行统筹管理，不仅可以解决主动热管理系统执行器电能来源不足的问题，而且可以在实际道路工况下根据发动机客观散热需求优化途经冷却水和废气的能量损失，实现发动机、主动热管理系统、动力涡轮系统总能效率最高的目标。卡特彼勒和波曼公司在进行电辅助动力涡轮性能设计时曾提出过类似的方案，分别在专利US7174714和专利US5142868中对可提供电能来源的动力涡轮系统控制策略和节能潜力进行了阐述。但是就整个能流回路-发动机、动力涡轮系统、主动热管理系统、蓄电池中，如何综合考虑蓄电池的能量储存，主动热管理的用能需求，动力涡轮的发电能力，即如何建立能流回路控制策略，实现总能效率最优并没有详细的阐述。为解决上述问题，本发明中提出了“发动机-动力涡轮-蓄电池-热管理系统”能流回路结构以及其对应的控制方法。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于动力涡轮能量回馈的发动机主动热管理系统及方法，通过发动机附件的电气化实现发动机冷却水温度的主动可控，保证发动机的热安全，同时计算驱动电机(本专利中体现为风扇和水泵驱动电机)能耗。

本发明提出了一种基于动力涡轮能量回馈的主动热管理系统，该系统包括总能能量管理单元、动力涡轮控制单元、主动热管理单元和蓄电池单元；后三者分别连接至总能能量管理单元进行信号交互；其中：

总能能量管理单元，实时采集来自主动热管理单元的需求功率和来自动力涡轮控制单元的动力涡轮发电量，以及蓄电池管理单元提供的电池SOC信号，实现该系统内动力涡轮有效供能以及电能有效的并联回路分配，进而满足整个能流回路总能效率最大化；将所需的动力涡轮发电量信号传输给动力涡轮控制器，从而通过动力涡轮控制器来调节废气旁通阀开度；

动力涡轮控制单元，向总能能量管理单元传输动力能量回馈包括动力涡轮的最大发电量P_tm和最优发电量P_to；

主动热管理单元，用于实时计算热管理系统的需求功率P_c，并将该信息传输给总能能量管理单元；

以及，蓄电池单元，用于向总能能量管理单元提供电池SOC信号。