專利名稱：控制車輛熱能收集系統(tǒng)的方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及一種車輛，并且更具體地涉及一種用于車輛和車輛附件的熱能 收集系統(tǒng)以及控制能量收集系統(tǒng)的方法。
背景技術：
車輛通常由發(fā)動機供以動力，發(fā)動機為車輛提供動力且提供動力給車輛蓄電池充 電。蓄電池為起動發(fā)動機和操作各種車輛附件提供動力。在操作期間，發(fā)動機產生大量的 余熱，即通常耗散到大氣中且喪失的過量熱能。技術的進步和對駕駛員便利的期望已經增加了車輛附件的數量以及增加驅動車 輛附件所需的發(fā)動機和/或蓄電池上的負載(即動力需求)。因此，期望擴展驅動范圍且增 加車輛燃料效率的裝置。因而，期望增加車輛燃料效率且減少車輛常規(guī)動力源(即，發(fā)動機 和/或蓄電池)上的動力負載的系統(tǒng)，如果車輛廢熱轉換為有用機械能和/或電能，可實現(xiàn) 顯著的車輛燃料經濟性增益。

發(fā)明內容
公開了一種控制能量收集系統(tǒng)的方法，所述能量收集系統(tǒng)將來自于熱源的過量熱 能轉換為機械能。所述方法包括獲得能量收集系統(tǒng)的當前操作參數。所述方法還包括將所 獲得的當前操作參數與能量收集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)進行比較，以確定當前操作參數是否 處于能量收集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)的預定范圍內。所述方法還包括在當前操作參數處于 目標操作狀態(tài)的預定范圍之外時，調節(jié)能量收集系統(tǒng)的操作，直到所獲得的當前操作參數 處于目標操作狀態(tài)的預定范圍內，以使得能量收集系統(tǒng)的操作效率最大化。因此，所公開的方法通過將能量收集系統(tǒng)的操作調節(jié)到目標操作狀態(tài)內而使得能 量收集系統(tǒng)的效率最大化。通過將能量收集系統(tǒng)的操作保持在目標操作狀態(tài)內，控制能量 收集系統(tǒng)的方法確保不浪費過量熱能，且能量收集系統(tǒng)將盡可能多的過量熱能轉換為機械 能。方案1. 一種控制能量收集系統(tǒng)的方法，所述能量收集系統(tǒng)將來自于熱源的熱能 轉換為機械能，所述方法包括
獲得能量收集系統(tǒng)的當前操作參數；
將所獲得的當前操作參數與能量收集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)進行比較以確定當前操作 參數是否處于能量收集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)的預定范圍內；以及
在當前操作參數處于目標操作狀態(tài)的預定范圍之外時，調節(jié)能量收集系統(tǒng)的操作，直 到所獲得的當前操作參數處于目標操作狀態(tài)的預定范圍內，以使得能量收集系統(tǒng)的操作效率最大化。方案2.根據方案1所述的方法，其中，所述能量收集系統(tǒng)包括熱機，所述熱機具 有能在馬氏體相和奧氏體相之間循環(huán)移動的形狀記憶合金(SMA)構件，其中，獲得一組當前 操作參數包括獲得在循環(huán)期間SMA構件的最大溫度以確定SMA構件是否過熱。方案3.根據方案2所述的方法，其中，獲得一組當前操作參數包括獲得在循環(huán)期 間SMA構件的最小溫度以確定SMA構件是否過冷。方案4.根據方案3所述的方法，其中，獲得一組當前操作參數包括獲得SMA構件 的循環(huán)頻率。方案5.根據方案4所述的方法，其中，調節(jié)能量收集系統(tǒng)的操作進一步限定為 調節(jié)從熱源到SMA構件的傳熱率。方案6.根據方案4所述的方法，其中，調節(jié)能量收集系統(tǒng)的操作進一步限定為 調節(jié)從SMA構件到散熱器的傳熱率。方案7.根據方案4所述的方法，其中，調節(jié)能量收集系統(tǒng)的操作進一步限定為 調節(jié)熱機的循環(huán)頻率。方案8.根據方案4所述的方法，其中，能量收集系統(tǒng)包括電子控制單元，所述電 子控制單元具有能在電子控制單元上操作的至少一個算法，其中，所述方法還包括計算用 于調節(jié)SMA構件的加熱速率、SMA構件的冷卻速率以及熱機的循環(huán)頻率中的一個的調節(jié)幅值。方案9.根據方案8所述的方法，其中，調節(jié)幅值取決于所獲得的能量收集系統(tǒng)的 當前操作參數和能量收集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)之間的差。方案10.根據方案2所述的方法，其中，能量收集系統(tǒng)包括從動部件，所述方法還 包括斷開從動部件。方案11.根據方案2所述的方法，其中，能量收集系統(tǒng)包括從動部件，所述方法還 包括調節(jié)從動部件的輸出以與熱機的能量輸出匹配。方案12.根據方案2所述的方法，還包括在能量收集系統(tǒng)的當前操作參數處于能 量收集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)內時接合熱機。方案13.根據方案1所述的方法，其中，獲得一組當前操作參數進一步限定為推 斷一組當前操作參數。方案14.根據方案1所述的方法，其中，能量收集系統(tǒng)包括至少一個傳感器，且其 中，獲得一組當前操作參數進一步限定為從所述至少一個傳感器感測一組當前操作參數。方案15.根據方案1所述的方法，還包括限定能量收集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)。方案16.根據方案1所述的方法，其中，獲得一組當前操作參數進一步限定為連 續(xù)地獲得一組當前操作參數。方案17.根據方案1所述的方法，其中，將所獲得的該組當前操作參數與能量收 集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)進行比較以確定當前操作參數是否處于能量收集系統(tǒng)的目標操作 狀態(tài)的預定范圍內進一步限定為將所獲得的該組當前操作參數與能量收集系統(tǒng)的目標操 作狀態(tài)進行比較以確定當前操作參數是否等于能量收集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)。方案18.根據方案1所述的方法，其中，獲得一組當前操作參數包括檢測形狀記 憶合金構件在馬氏體相和奧氏體相之間的轉變。
方案19.根據方案18所述的方法，還包括在形狀記憶合金構件已經從馬氏體相 轉變?yōu)閵W氏體相時，停止加熱且開始冷卻形狀記憶合金構件。方案20.根據方案1所述的方法，還包括在形狀記憶合金構件已經從奧氏體相 轉變?yōu)轳R氏體相時，停止冷卻且開始加熱形狀記憶合金構件。本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點及其他特征和優(yōu)點將通過對實施本發(fā)明的最佳模式的 下列詳細描述參照附圖變得更明顯。


圖1是具有能量收集系統(tǒng)的車輛的示意圖。圖2是圖1的能量收集系統(tǒng)的實施例的透視圖。圖3是能量收集系統(tǒng)的散熱器的控制系統(tǒng)架構的示意圖。圖4是示出了控制能量收集系統(tǒng)的方法的示意性流程圖。
具體實施例方式參照這些圖，其中相同的附圖標記代表相同的元件，圖1總體上以10示出了車輛。 參考圖1，車輛10包括能量收集系統(tǒng)42。能量收集系統(tǒng)42利用第一流體區(qū)域12與第二流 體區(qū)域14之間的溫差產生機械能或電能，并因此可用于機動車應用。然而，要意識到，能量 收集系統(tǒng)42還可以用于非機動車應用，例如但不限于家庭和工業(yè)加熱應用以及地熱熱源。車輛10限定艙室40，其可以容納車輛10的動力源和驅動源，例如發(fā)動機和變速 器(未示出)。艙室40可從或可不從周圍環(huán)境封閉，但是可能從客艙(未示出)隔開。艙室可 以定位的車輛內區(qū)域的示例包括但不限于排氣系統(tǒng)附近、車輛蓄電池附近或在電動車輛的 蓄電池艙室內、變速器附近、制動器附近、或者在車輛懸架部件(具體地，減震器)附近內、或 者在熱交換器(如散熱器)附近或結合在熱交換器(如散熱器)中。上述示例列舉了可以用 作第一流體區(qū)域12或第二流體區(qū)域14中的一個的車輛10區(qū)域。能量收集系統(tǒng)42可定位 成使得第一流體區(qū)域12或第二流體區(qū)域14中的另一個定位遠離隔板50或者由隔板50隔 開，以提供所需溫差。上述列舉僅僅是能量收集系統(tǒng)42可以定位的位置的示例，且不旨在 是能量收集系統(tǒng)42的設置的所有窮舉。本領域技術人員能夠確定具有相關溫差的區(qū)域和 能量收集系統(tǒng)42的合適位置，以利用溫差。能量收集系統(tǒng)42至少部分地位于艙室40內。車輛10的動力源和驅動源(未示 出)通常發(fā)熱。因此，艙室40包括在其之間具有溫差的第一流體區(qū)域12和第二流體區(qū)域 14。第一流體區(qū)域12和第二流體區(qū)域14可以彼此間隔開，或者可以采用擋板50 (例如隔 熱屏)把艙室40分成第一流體區(qū)域12和第二流體區(qū)域14。形成第一流體區(qū)域12和第二 流體區(qū)域14的能量收集系統(tǒng)42內的流體可以從氣體、液體及其組合的組中選擇。在艙室 40是發(fā)動機艙的上述實施例中，第一流體區(qū)域12和第二流體區(qū)域14內的流體是艙室40內 的氣體。還參照圖2，能量收集系統(tǒng)42包括熱機16。熱機16配置成將熱能(例如熱量)轉 變?yōu)闄C械能或者將熱量首先轉變?yōu)闄C械能然后轉變?yōu)殡娔?，這在下文更詳細陳述。更具體 地，熱機16包括形狀記憶合金18 (圖2)，該形狀記憶合金具有響應于第一流體區(qū)域12與 第二流體區(qū)域14 (圖1)之間的溫差可在奧氏體與馬氏體之間變化的結晶相。
如本文所使用的，術語“形狀記憶合金“指的是呈現(xiàn)形狀記憶效應的合金。也就 是說，形狀記憶合金18可以通過分子或晶體重排經受固態(tài)相變從而在馬氏體相(即“馬氏 體“)與奧氏體相(即“奧氏體“)之間變化。換句話說，形狀記憶合金18可以經受位移式 轉變而不是擴散型轉變從而在馬氏體與奧氏體之間變化。通常，馬氏體相指的是相對低溫 的相并且常常比相對高溫的奧氏體相更容易變形。形狀記憶合金18開始由奧氏體相變?yōu)?馬氏體相的溫度被稱為馬氏體起始溫度禮。形狀記憶合金18完成由奧氏體相變?yōu)轳R氏體 相的溫度被稱為馬氏體完成溫度Mf。類似地，當形狀記憶合金18被加熱時，形狀記憶合金 18開始由馬氏體相變?yōu)閵W氏體相的溫度被稱為奧氏體起始溫度As。并且，形狀記憶合金18 完成由馬氏體相變?yōu)閵W氏體相的溫度被稱為奧氏體完成溫度Af。因此，形狀記憶合金18可以以冷態(tài)表征，即，此時，形狀記憶合金18的溫度低于形 狀記憶合金18的馬氏體完成溫度Mf。類似地，形狀記憶合金18還可以以熱態(tài)表征，S卩，此 時，形狀記憶合金18的溫度高于形狀記憶合金18的奧氏體完成溫度Af。操作時，S卩，當暴露于第一流體區(qū)域12與第二流體區(qū)域14之間的溫差時，形狀記 憶合金18，如果是預應變或受到張應力的話，可以在改變結晶相時改變尺寸從而將熱能轉 變?yōu)闄C械能。也就是說，形狀記憶合金18的結晶相可以從馬氏體變?yōu)閵W氏體，并且由此如 果進行了偽塑性預應變的話在尺寸上收縮從而將熱能轉變?yōu)闄C械能。更具體地，如果形狀 記憶合金18先前已經通過施加應變而發(fā)生偽塑性預應變，那么形狀記憶合金18可在尺寸 上收縮。反之，形狀記憶合金18的結晶相可以從奧氏體變?yōu)轳R氏體，并且由此如果處于應 力下的話在尺寸上膨脹。也就是說，形狀記憶合金18在應力下可尺寸上收縮，以將熱能轉 變?yōu)闄C械能，且然后在馬氏體相期間往回拉伸以重復循環(huán)。術語“偽塑性預應變“指的是在形狀記憶合金元件18處于馬氏體相的時候拉伸 形狀記憶合金元件18，使得形狀記憶合金元件18在該負載狀態(tài)下呈現(xiàn)出的應變在卸載時 不能完全恢復，其中，純彈性應變將完全恢復。對于非形狀記憶材料，該應變的未恢復部分 將由于塑性變形引起，對于該材料來說將是永久性的。在形狀記憶合金元件18的情況下， 可能將材料加載，使得超過彈性應變極限且在超過材料的真實塑性應變極限之前在材料的 馬氏體晶體結構中發(fā)生變形。在這兩個極限之間的這種應變是偽塑性應變，如此稱呼是因 為一旦卸載，形狀記憶合金元件18看起來已經塑性變形，但是當被加熱到形狀記憶合金 元件18轉變?yōu)閵W氏體相的點時，可以恢復該應變，從而使形狀記憶合金元件18回到施加任 何負載之前所看到的原始長度。形狀記憶合金18可以具有任何合適的組分。特別地，形狀記憶合金18可以包括 選自以下材料的組的元素鈷、鎳、鈦、銦、錳、鐵、鈀、鋅、銅、銀、金、鎘、錫、硅、鉬、鎵及其組 合。例如，合適的形狀記憶合金18可以包括鎳鈦基合金、鎳鋁基合金、鎳鎵基合金、銦鈦基 合金、銦鎘基合金、鎳鈷鋁基合金、鎳錳鎵基合金、銅基合金(例如，銅鋅合金、銅鋁合金、銅 金合金和銅錫合金)、金鎘基合金、銀鎘基合金、錳銅基合金、鐵鉬基合金、鐵鈀基合金及其 組合。形狀記憶合金18可以是二元的、三元的或任何更高元的，只要形狀記憶合金18呈現(xiàn) 形狀記憶效應(例如形狀取向、阻尼容量等的變化)即可。技術人員可以根據艙室40 (圖1) 內的期望操作溫度選擇形狀記憶合金18，這在下文更詳細陳述。在一個特定例子中，形狀記 憶合金18可以包括鎳和鈦。此外，形狀記憶合金18可以具有任何適用的形態(tài)，即形狀。例如，形狀記憶合金18可以具有選自以下組的形態(tài)偏壓構件、條、線、帶、連續(xù)環(huán)及其組合。參照圖2，在一個變型 中，形狀記憶合金18可以形成為連續(xù)環(huán)形彈簧。形狀記憶合金18可以通過任何合適方式將熱能轉變?yōu)闄C械能。例如，形狀記憶 合金18可以致動滑輪系統(tǒng)(總體上在圖2中示出并且在下文更詳細陳述)、接合杠桿(未示 出)、轉動飛輪(未示出)、接合螺桿(未示出)等等。能量收集系統(tǒng)42還包括從動部件20。部件20可以是簡單的機械裝置，例如風扇， 部件20由熱機16驅動。部件20可以是車輛10內的現(xiàn)有系統(tǒng)(例如加熱或冷卻系統(tǒng))的一 部分。機械能可以驅動部件20或可以幫助車輛10的其它系統(tǒng)驅動部件20。用由熱機16 提供的動力驅動部件20還可以允許車輛10內的相關現(xiàn)有系統(tǒng)的尺寸/容量減小。在上面 的例子中，熱機16可以輔助驅動加熱/冷卻系統(tǒng)的風扇，允許主加熱冷卻系統(tǒng)容量減小并 且在除節(jié)能之外還提供重量減輕?？商娲?，部件20可以是發(fā)電機。部件/發(fā)電機20配置成將來自熱機16的機械 能轉變?yōu)殡娏M圖1和2中總體上用附圖標記21表示)。部件/發(fā)電機20可以是用于將 機械能轉變?yōu)殡娏?1的任何適用裝置。例如，部件/發(fā)電機20可以是使用電磁感應將機 械能轉變?yōu)殡娏?1的發(fā)電機，并且可以包括相對于定子(未示出)旋轉的轉子(未示出)。來 自部件/發(fā)電機20的電能然后可以用來幫助給車輛10內的主或附屬驅動系統(tǒng)提供動力， 或者存儲在蓄電池、液壓蓄能器、氣力蓄能器、飛輪或其它能量存儲裝置中。如圖2所示，部件20由熱機16驅動。也就是說，由形狀記憶合金18從熱能轉換 得到的機械能可以驅動部件20。特別地，形狀記憶合金18的上述尺寸收縮和尺寸膨脹，與 伴隨尺寸變化的模量變化相結合，可以驅動部件20。更具體地說，在圖2所示的一個變型中，熱機16可以包括框架22，其配置成支撐布 置在多個軸32、34上的一個或多個輪子對、26、觀、30。輪子24J6、28、30可以相對于框架 22旋轉，并且形狀記憶合金18可以由輪子對、26、觀、30支撐并且沿著這些輪子行進?？梢?由一個或多個齒輪組36任選地改變輪子M、26J8、30的旋轉速度。而且，部件20可以包 括附連在輪子沈上的傳動軸38。當輪子對、26、觀、30響應于形狀記憶合金18在尺寸上的 膨脹和收縮以及伴隨尺寸變化的模量變化而圍繞熱機16的軸32、34轉動時，傳動軸38轉 動并驅動部件20。再次參照圖1，能量收集系統(tǒng)42配置成產生機械能或電能。更具體地說，能量收集 系統(tǒng)42包括具有第一溫度的第一流體區(qū)域12和具有不同于第一溫度的第二溫度的第二流 體區(qū)域14。例如，第一溫度可以高于第二溫度。第一溫度與第二溫度之間的溫差可以小至 約5°C并且高達多于100°C。換句話說，第一溫度與第二溫度之間的溫差可以大于或等于約 5°C且小于或等于約500°C，更準確地小于或等于約30°C。熱機16，更具體地是熱機16的形狀記憶合金18(圖2)，布置成與第一流體區(qū)域12 和第二流體區(qū)域14中的每一個都接觸。因此，形狀記憶合金18可以在熱暴露于第一流體 區(qū)域12和第二流體區(qū)域14中的一個時在奧氏體與馬氏體之間改變結晶相。例如，一旦熱 暴露于第一流體區(qū)域12，形狀記憶合金18就可以從馬氏體變?yōu)閵W氏體。類似地，一旦熱暴 露于第二流體區(qū)域14，形狀記憶合金18就可以從奧氏體變?yōu)轳R氏體。此外，形狀記憶合金18在改變結晶相時可以改變模量和尺寸，由此將熱能轉變?yōu)?機械能。更具體地，如果進行了偽塑性預應變，一旦結晶相從馬氏體變?yōu)閵W氏體，形狀記憶合金18就可以在尺寸上收縮，由此將熱能轉變?yōu)闄C械能，并且如果處于張應力下，一旦結 晶相從奧氏體變?yōu)轳R氏體，形狀記憶合金18就可以在尺寸上膨脹，以重復循環(huán)。因此，對于 第一流體區(qū)域12的第一溫度與第二流體區(qū)域14的第二溫度之間存在溫差(即，其中第一流 體區(qū)域12和第二流體區(qū)域14不處于熱平衡)的任何狀態(tài)，一旦結晶相在馬氏體與奧氏體之 間變化，形狀記憶合金18就可以在尺寸上膨脹和收縮。并且，形狀記憶合金18的結晶相的 變化可以促使形狀記憶合金轉動輪子M、26J8、30 (如圖2所示)，并且因此驅動部件20。操作時，參照圖1的熱量收集系統(tǒng)42并且參照圖2所示形狀記憶合金18的示例 結構描述的，一個輪子觀可以浸于第一流體區(qū)域12中，而另一輪子M可以浸于第二流體 區(qū)域14中。隨著形狀記憶合金18的一個區(qū)域(總體上由箭頭A表示)在應力下且接觸第二 流體區(qū)域14時在尺寸上膨脹，即在尺寸上拉伸，形狀記憶合金18的偽塑性預應變的與第一 流體區(qū)域12接觸的另一區(qū)域(總體上由箭頭B表示)在尺寸上收縮。在暴露于第一流體區(qū) 域12與第二流體區(qū)域14之間的溫差時，形狀記憶合金18的連續(xù)彈簧環(huán)形態(tài)的交替尺寸收 縮和膨脹可以促使記形合金18將機械勢能轉變?yōu)闄C械動能，由此驅動輪子對、26、觀、30并 且將熱能轉變?yōu)闄C械能。因而，為了能量收集系統(tǒng)42的最佳效率，第一流體區(qū)域12和第二 流體區(qū)域14優(yōu)選更新以保持其之間的溫差。熱機16和部件/發(fā)電機20可以布置在車輛10的艙室40內。特別地，熱機16和 部件20可以布置在車輛10內外的任何位置處，只要形狀記憶合金18布置成與第一流體區(qū) 域12和第二流體區(qū)域14的每一個都接觸即可。此外，熱機16和部件20可以被通風殼體 44 (圖1)圍繞。殼體44可以限定腔(未示出)，電子部件(例如線)可以通過所述腔。擋板 50可以位于殼體44內以將第一流體區(qū)域12與第二流體區(qū)域14隔開?，F(xiàn)在參照圖1，在一個變型中，能量收集系統(tǒng)42還包括電子控制單元46。電子控 制單元46與車輛10可操作通訊。電子控制單元46可以是例如計算機，其與能量收集系統(tǒng) 42的一個或多個控制器和/或傳感器電子通訊。電子控制單元46可以與能量收集系統(tǒng)42 的一個或多個傳感器通訊。例如，電子控制單元46可以與第一流體區(qū)域12內的溫度傳感 器、第二流體區(qū)域14內的溫度傳感器、部件20的速度調節(jié)器、位移傳感器、力傳感器、扭矩 傳感器、應力傳感器、應變傳感器、流體流率傳感器、循環(huán)傳感器和配置成監(jiān)控發(fā)電的計量 器中的一個或多個相通訊和/或對其進行控制。電子控制單元46還包括和控制至少一個 致動器58，致動器58配置成控制能量收集系統(tǒng)42的操作。致動器58可包括閥、線性和/ 或旋轉致動器、離合器、制動器、中斷器、用于改變到形狀記憶合金構件18和/或從形狀記 憶合金構件18的傳熱率的器件(例如，可調傳熱介質)、或者能夠控制能量收集系統(tǒng)42的操 作的任何其它裝置。電子控制單元46可以控制在車輛10的預定狀態(tài)下的能量收集。例如，在車輛10 已經運行了足夠時段以確保第一流體區(qū)域12與第二流體區(qū)域14之間的溫差處于最佳差值 之后。電子控制單元46還可以提供手動超控熱機16從而允許關閉能量收集系統(tǒng)42的選 擇。由電子控制單元46控制的離合器(未示出)可以用來將熱機16從部件20分離。許多因素影響能量收集系統(tǒng)42的操作和/或性能。這些因素可包括但不限于從 熱源62可獲得的廢熱，其在操作循環(huán)內根據負載顯著地變化；到形狀記憶合金構件18用于 轉換為機械動力的傳熱率、熱量從形狀記憶合金構件18排出以完成循環(huán)的冷卻部分的速 率、以及能量收集系統(tǒng)42的熱機16上的負載。這些因素隨時間變化。因而，需要能量收集系統(tǒng)42的合適實時控制。為了使得來自于熱機16的動力輸出最大化，必須使得每個轉變 循環(huán)的功輸出和循環(huán)頻率兩者最大化。為了使得熱機16每個轉變循環(huán)的功輸出最大化，形 狀記憶合金構件18必須被控制經受馬氏體相和奧氏體相之間的完全轉變。為了使得熱機 16的循環(huán)頻率最大化，形狀記憶合金構件18的加熱和冷卻必須被控制以避免過熱和/或過 冷，以使得循環(huán)持續(xù)時間和熱能浪費最小化。因而，本文公開了用于控制能量收集系統(tǒng)42 的方法。參考圖3，所述方法被示意性地示出且總體上包括調節(jié)到形狀記憶合金構件18或 從形狀記憶合金構件18的傳熱以確保形狀記憶合金構件18不過熱和/或過冷。如圖3所 示，第一傳熱介質60將熱量從熱源62傳遞給形狀記憶合金構件18以加熱形狀記憶合金構 件18。第二傳熱介質64將熱量從形狀記憶合金構件18傳遞給散熱器66以冷卻形狀記憶 合金構件18。散熱器66是能量收集系統(tǒng)42的一部分，且可包括能夠從形狀記憶合金構件 18吸收并驅散熱量的任何裝置。形狀記憶合金構件18的最大和最小溫度，連同形狀記憶合 金構件18的膨脹和收縮的循環(huán)頻率一起，被獲得(例如，感測)且傳送給電子控制單元46。 電子控制單元46處理與形狀記憶合金構件18的最大溫度、形狀記憶合金的最小溫度和形 狀記憶合金的循環(huán)頻率相關的數據，且通過第一傳熱介質60調節(jié)到形狀記憶合金構件18 的傳熱率、通過第二傳熱介質64調節(jié)從形狀記憶合金構件18的傳熱率、或者調節(jié)形狀記憶 合金的循環(huán)頻率，以將熱機16的操作保持在目標操作狀態(tài)內。將熱機16的操作保持在目 標操作狀態(tài)內確保不由于使得形狀記憶合金構件18過熱或使得形狀記憶合金構件18過熱 而喪失過量熱能。更具體地，所述方法包括獲得能量收集系統(tǒng)42的當前操作參數。優(yōu)選地，能量收 集系統(tǒng)42的當前操作參數可在時間上連續(xù)獲得。替代地，能夠以規(guī)定時間間隔獲得當前操 作參數。當前操作參數可以通過其它各種車輛系統(tǒng)推斷獲得，或者通過一個或多個傳感器 68感測。如上所述，能量收集系統(tǒng)42包括具有形狀記憶合金構件18的熱機16，形狀記憶合 金構件18能在馬氏體相和奧氏體相之間循環(huán)移動。能量收集系統(tǒng)42的當前操作參數可包 括但不限于形狀記憶合金構件18在循環(huán)期間的最大溫度、形狀記憶合金構件18在循環(huán)期 間的最小溫度或形狀記憶合金構件18的循環(huán)頻率。形狀記憶合金構件18的最大溫度用于 確定形狀記憶合金構件18是否過熱。形狀記憶合金構件18的最小溫度用于確定形狀記憶 合金構件18是否過冷。循環(huán)頻率是形狀記憶合金構件18在馬氏體相和奧氏體相之間往復 循環(huán)一次的時間。所述方法還可包括限定能量收集系統(tǒng)42的目標操作狀態(tài)。目標操作狀態(tài)包括設 計成使得熱機16和/或能量收集系統(tǒng)42的效率最大化的能量收集系統(tǒng)42的各種操作參 數的預定值。目標操作狀態(tài)可包括但不限于第一流體區(qū)域12和第二流體區(qū)域14之間的溫 差、形狀記憶合金構件18的溫度、形狀記憶合金構件18的位移、從動部件20的接合、或者 影響能量收集系統(tǒng)42效率的一些其它狀態(tài)。為了確保能量收集系統(tǒng)42的最佳效率，所述方法還可包括在能量收集系統(tǒng)42的 當前操作參數處于能量收集系統(tǒng)42的目標操作狀態(tài)內時接合熱機16。因此，熱機16和/ 或能量收集系統(tǒng)42保持分離，直到能量收集系統(tǒng)42的當前操作參數允許熱機16和能量收 集系統(tǒng)42的有效操作。
所述方法還包括將所獲得的當前操作參數與能量收集系統(tǒng)42的目標操作狀態(tài)進 行比較。所獲得的當前操作參數與目標操作狀態(tài)進行比較以確定當前操作參數是否處于能 量收集系統(tǒng)42的目標操作狀態(tài)的預定范圍內。預定范圍可包括任何范圍，且取決于許多因 素，包括但不限于熱機16的具體設計要求、從動部件20的設計要求、第一流體區(qū)域12和 第二流體區(qū)域14之間的溫差、或一些其它因素。預定范圍可包括高于或低于目標值的百分 比。然而，應當理解的是，預定范圍也可以包括零范圍，其中，如果當前操作參數不等于目標 操作狀態(tài)，則當前操作參數在預定范圍之外。因此，將所獲得的該組當前操作參數與目標操 作狀態(tài)進行比較以確定當前操作參數是否處于目標操作狀態(tài)的預定范圍內可進一步限定 為將所獲得的該組當前操作參數與目標操作狀態(tài)進行比較以確定當前操作參數是否等于 目標操作狀態(tài)。所述方法還包括在當前操作參數處于目標操作狀態(tài)的預定范圍之外時調節(jié)能量 收集系統(tǒng)42的操作。能量收集系統(tǒng)42的操作被連續(xù)調節(jié)，直到所獲得的當前操作參數在 預定范圍內或者等于目標操作狀態(tài)，以使得能量收集系統(tǒng)42的操作效率最大化。所述方法還可包括檢測形狀記憶合金構件18何時從馬氏體相轉變?yōu)閵W氏體相， 然后立即停止加熱且開始冷卻形狀記憶合金構件18。類似地，所述方法還可包括檢測形 狀記憶合金構件18何時從奧氏體相轉變?yōu)轳R氏體相時，立即停止冷卻且然后開始加熱形 狀記憶合金構件18。調節(jié)能量收集系統(tǒng)42的操作可包括調節(jié)從熱源62到形狀記憶合金構件18的傳 熱率、調節(jié)從形狀記憶合金構件18到散熱器66的傳熱率、或者調節(jié)熱機16的循環(huán)頻率。例 如，如果形狀記憶合金構件18在單個循環(huán)期間過熱且過冷，那么電子控制單元46可以發(fā)送 信號以增加形狀記憶合金構件18的循環(huán)頻率，以便增加能量收集系統(tǒng)42的動力輸出。如 果形狀記憶合金構件18過熱但冷卻不夠，那么電子控制單元46可以發(fā)送信號以增加冷卻 速率，即從形狀記憶合金構件18到散熱器66的傳熱率；或者替代地，可以發(fā)送信號以減少 加熱速率，即從熱源62到形狀記憶合金構件18的傳熱率。如果形狀記憶合金構件18加熱 不夠但過冷，那么電子控制單元46可以發(fā)送信號以增加加熱速率，即從熱源62到形狀記憶 合金構件18的傳熱率；或者替代地，可以發(fā)送信號以減少冷卻速率，即從形狀記憶合金構 件18到散熱器66的傳熱率。如果形狀記憶合金構件18加熱不夠且冷卻不夠，那么電子控 制單元46可以發(fā)送信號以增加加熱速率和冷卻速率兩者，即分別為從熱源62到形狀記憶 合金構件18的傳熱率和從形狀記憶合金構件18到散熱器66的傳熱率。如果當前操作參 數處于目標操作狀態(tài)的預定范圍內，那么電子控制單元46維持當前操作狀態(tài)，且不調節(jié)能 量收集系統(tǒng)42。如上所述，能量收集系統(tǒng)42包括電子控制單元46。電子控制單元46可包括計算 機，其具有能在其上操作的處理器、存儲器、其它硬件部件和軟件(即，算法)。應當理解的 是，電子控制單元46可包括與熱機16、能量收集系統(tǒng)42和從動部件20通訊并控制熱機16、 能量收集系統(tǒng)42和從動部件20的操作所需的任何部件。因此，所述方法還包括計算用 于調節(jié)SMA構件的加熱速率、SMA構件的冷卻速率以及熱機16的循環(huán)頻率中的一個的調節(jié) 幅值。調節(jié)幅值取決于所獲得的能量收集系統(tǒng)42的當前操作參數和能量收集系統(tǒng)42的目 標操作狀態(tài)之間的差，且通過電子控制單元46的一個或多個算法計算。所述算法可結合當 前操作參數和目標操作狀態(tài)之間的差。所述算法可包括各種控制合成方法，包括但不限于PID、LQG、MRAC、非線性或本文未闡述或描述的一些其它控制合成方法。如上所述，能量收集系統(tǒng)42包括從動部件20。為了使得能量收集系統(tǒng)42的效率 最大化，所述方法還可包括斷開從動部件20。從動部件20可例如在能量收集系統(tǒng)42不能 提供足夠的能量以操作從動部件20時斷開。例如，從動部件20可以由于第一流體區(qū)域12 和第二流體區(qū)域14之間的溫差接近零而從熱機16斷開，例如在能量收集系統(tǒng)42由于深坑 或雪堆驟冷時。替代地，所述方法還可包括調節(jié)從動部件20的輸出以與熱機16的能量輸出匹配。 例如，如果從動部件20是發(fā)電機，那么電子控制單元46可發(fā)送信號給發(fā)電機以斷開用于產 生電流的一個或多個線圈，使得部件/發(fā)電機20的電負載減少至能量收集系統(tǒng)42可以在 不失速的情況下處理的水平。替代地，能量收集系統(tǒng)42的負載可以基于一些其它參數調 節(jié)，該參數包括但不限于車輛10的排氣溫度、環(huán)境空氣溫度、熱機16的旋轉速度、或本文 未描述的一些其它參數。參考圖4，示出了顯示控制能量收集系統(tǒng)42的方法的示意性流程圖。在圖4中， Th等于形狀記憶合金構件18的最大加熱溫度，Tc等于形狀記憶合金構件18的最小冷卻溫 度，Mf等于馬氏體相的完成溫度，Af等于奧氏體相的完成溫度。如圖4所示，在框80，獲得能量收集系統(tǒng)42的當前操作參數?？?2將形狀記憶合 金構件18的最大加熱溫度與奧氏體相的完成溫度進行比較。如果形狀記憶合金構件18的最大加熱溫度等于或處于奧氏體相的完成溫度的預 定范圍內，那么形狀記憶合金構件18的最小冷卻溫度與馬氏體相的完成溫度進行比較(框 84)。如果形狀記憶合金構件18的最小冷卻溫度等于或處于馬氏體相的完成溫度的預定范 圍內，那么電子控制單元46不采取動作調節(jié)能量收集系統(tǒng)42。然而，如果形狀記憶合金構 件18的最小冷卻溫度不等于或不處于馬氏體相的完成溫度的預定范圍內，那么形狀記憶 合金構件18的最小冷卻溫度與馬氏體相的完成溫度進行比較(框86)。如果馬氏體相的完 成溫度大于形狀記憶合金的最小冷卻溫度，那么電子控制單元46發(fā)送信號以減少形狀記 憶合金構件18的冷卻速率(框88)。替代地，如果馬氏體相的完成溫度不大于形狀記憶合金 的最小冷卻溫度，那么電子控制單元46發(fā)送信號以增加形狀記憶合金構件18的冷卻速率 (框 90)。返回框82，如果形狀記憶合金構件18的最大加熱溫度不等于奧氏體相的完成溫 度，那么框92確定形狀記憶合金構件的最大加熱溫度是否大于奧氏體相的完成溫度。如果 形狀記憶合金構件18的最大加熱溫度大于奧氏體相的完成溫度，那么形狀記憶合金構件 18的最小冷卻溫度與馬氏體相的完成溫度進行比較，以確定形狀記憶合金構件18的最小 冷卻溫度是否等于或處于馬氏體相的完成溫度的預定范圍內(框94)。如果形狀記憶合金構 件18的最小冷卻溫度等于或處于馬氏體相的完成溫度的預定范圍內，那么電子控制單元 46發(fā)送信號以減少形狀記憶合金構件18的加熱速率(框96)。如果形狀記憶合金構件18的 最小冷卻溫度不等于或不處于馬氏體相的完成溫度的預定范圍內，那么形狀記憶合金構件 18的最小冷卻溫度與馬氏體相的完成溫度進行比較以確定形狀記憶合金構件18的最小冷 卻溫度是否小于馬氏體相的完成溫度(框98)。如果形狀記憶合金構件18的最小冷卻溫度 小于馬氏體相的完成溫度，那么電子控制單元46發(fā)送信號以增加形狀記憶合金構件18的 循環(huán)頻率(框100)。然而，如果形狀記憶合金構件18的最小冷卻溫度不小于馬氏體相的完成溫度，那么電子控制單元46發(fā)送信號以增加形狀記憶合金構件18的冷卻速率(框102) 和/或減少形狀記憶合金構件18的加熱速率(框96)。
返回框92，如果奧氏體相的完成溫度不小于形狀記憶合金構件18的最大加熱溫 度，那么形狀記憶合金構件18的最小冷卻溫度與馬氏體相的完成溫度進行比較，以確定形 狀記憶合金構件18的最小冷卻溫度是否等于或處于馬氏體相的完成溫度的預定范圍內 (框104)。如果形狀記憶合金構件18的最小冷卻溫度等于或處于馬氏體相的完成溫度的 預定范圍內，那么電子控制單元46發(fā)送信號以增加形狀記憶合金構件18的加熱速率(框 106)。如果形狀記憶合金構件18的最小冷卻溫度不等于或不處于馬氏體相的完成溫度的 預定范圍內，那么形狀記憶合金構件18的最小冷卻溫度與馬氏體相的完成溫度進行比較 以確定形狀記憶合金構件18的最小冷卻溫度是否小于馬氏體相的完成溫度(框108)。如果 形狀記憶合金構件18的最小冷卻溫度小于馬氏體相的完成溫度，那么電子控制單元46可 發(fā)送信號以減少形狀記憶合金構件18的冷卻速率(框110)和/或增加形狀記憶合金構件 18的加熱速率(框106)。如果形狀記憶合金構件18的最小冷卻溫度不小于馬氏體相的完成 溫度，那么電子控制單元46可發(fā)送信號以增加形狀記憶合金構件18的加熱速率(框112)、 增加形狀記憶合金構件18的冷卻速率(框114)和/或減少形狀記憶合金構件18的循環(huán)頻 率(框116)。盡管已經詳細描述了實施本發(fā)明的最佳方式，但本發(fā)明所屬領域的技術人員將認 識到在所附權利要求的范圍內實施本發(fā)明的多種替換設計和實施例。
權利要求
1.一種控制能量收集系統(tǒng)的方法，所述能量收集系統(tǒng)將來自于熱源的熱能轉換為機械 能，所述方法包括獲得能量收集系統(tǒng)的當前操作參數；將所獲得的當前操作參數與能量收集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)進行比較以確定當前操作 參數是否處于能量收集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)的預定范圍內；以及在當前操作參數處于目標操作狀態(tài)的預定范圍之外時，調節(jié)能量收集系統(tǒng)的操作，直 到所獲得的當前操作參數處于目標操作狀態(tài)的預定范圍內，以使得能量收集系統(tǒng)的操作效率最大化。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述能量收集系統(tǒng)包括熱機，所述熱機具有能在 馬氏體相和奧氏體相之間循環(huán)移動的形狀記憶合金(SMA)構件，其中，獲得一組當前操作參 數包括獲得在循環(huán)期間SMA構件的最大溫度以確定SMA構件是否過熱。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，獲得一組當前操作參數包括獲得在循環(huán)期間SMA 構件的最小溫度以確定SMA構件是否過冷。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，獲得一組當前操作參數包括獲得SMA構件的循環(huán) 頻率。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，調節(jié)能量收集系統(tǒng)的操作進一步限定為調節(jié)從 熱源到SMA構件的傳熱率。
6.根據權利要求4所述的方法，其中，調節(jié)能量收集系統(tǒng)的操作進一步限定為調節(jié)從 SMA構件到散熱器的傳熱率。
7.根據權利要求4所述的方法，其中，調節(jié)能量收集系統(tǒng)的操作進一步限定為調節(jié)熱 機的循環(huán)頻率。
8.根據權利要求4所述的方法，其中，能量收集系統(tǒng)包括電子控制單元，所述電子控制 單元具有能在電子控制單元上操作的至少一個算法，其中，所述方法還包括計算用于調節(jié) SMA構件的加熱速率、SMA構件的冷卻速率以及熱機的循環(huán)頻率中的一個的調節(jié)幅值。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，調節(jié)幅值取決于所獲得的能量收集系統(tǒng)的當前 操作參數和能量收集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)之間的差。
10.根據權利要求2所述的方法，其中，能量收集系統(tǒng)包括從動部件，所述方法還包括 調節(jié)從動部件的輸出以與熱機的能量輸出匹配。
全文摘要
本發(fā)明涉及控制車輛熱能收集系統(tǒng)的方法。公開了一種控制能量收集系統(tǒng)的方法，所述能量收集系統(tǒng)將過量熱能轉換為機械能且包括形狀記憶合金(SMA)構件，所述方法包括獲得能量收集系統(tǒng)的當前操作參數，例如，SMA構件的最大溫度、最小溫度和循環(huán)頻率。將當前操作參數與能量收集系統(tǒng)的目標操作狀態(tài)進行比較，以確定當前操作參數是否處于目標操作狀態(tài)的預定范圍內。如果當前操作參數不處于目標操作狀態(tài)的預定范圍內，那么調節(jié)到SMA構件的傳熱率、從SMA構件的傳熱率或SMA構件的循環(huán)頻率，以將能量收集系統(tǒng)的操作保持在目標操作狀態(tài)的預定范圍內，以便使得能量收集系統(tǒng)的效率最大化。
文檔編號F02G5/00GK102072045SQ20101055263
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權日2009年11月20日
發(fā)明者A·L·布朗, C·P·亨利, G·P·麥克奈特, N·D·曼凱姆, N·L·約翰遜, P·B·烏索羅, P·W·亞歷山大, X·高 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司