DE10013510A1

DE10013510A1 - Electrically driven vehicle air conditioning system has compressor driven directly without gearing by electronically commutated, permanently stimulated brushless synchronous motor

Info

Publication number: DE10013510A1
Application number: DE10013510A
Authority: DE
Inventors: Schutzbelueftung Gmbh Seka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-20
Filing date: 2000-03-20
Publication date: 2001-09-27

Abstract

The system has a compressor of lifting cylinder, vane cell or spiral construction (scroll compressor), driven directly without gearing by an electronically commutated, permanently stimulated brushless synchronous motor and commutation electronics supplied with direct current. The drive current is drawn from the on-board electrical system or from the a.c. supply via a rectifier.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Fahrzeugklimaanlage mit elektronisch kommutiertem, permanent erregtem bürstenlosen Synchronmotor und mit Gleichstrom versorgter Kommutierungselektronik, deren Versorgungsstrom aus dem Bordnetz des Fahrzeuges oder über einen Gleichrichter aus dem Wechselstromnetz entnommen wird.The invention relates to an electrically powered vehicle air conditioning system with electronic commutated, permanently excited brushless synchronous motor and with direct current supplied commutation electronics, whose supply current from the electrical system of the Vehicle or via a rectifier from the AC network.

Zur Klimatisierung von PKW's und Nutzfahrzeugen werden fast ausschließlich Kompres sions-Kälteanlagen nach dem Kaltdampf-Prinzip eingesetzt. Diese Anlagen bestehen aus:
Compression refrigeration systems based on the cold steam principle are used almost exclusively for the air conditioning of cars and commercial vehicles. These systems consist of:

- Offener Kältemittelverdichter (mit Magnetkupplung) -
Zur Definition "offener" Fahrzeugklimatisierung, technische Grundlagen DIAVIA-Handbuch für WAECO-Schulungsaktivitäten 1997.- Open refrigerant compressor (with magnetic coupling) -
For the definition of "open" vehicle air conditioning, technical basics DIAVIA manual for WAECO training activities 1997 .
- Verdampfer- Evaporator
- Einspritzorgan (Expansionsventil oder Kapillarrohr)- Injector (expansion valve or capillary tube)
- Kondensator- capacitor
- Hoch- oder Niederdruckbehälter- High or low pressure tanks
- Kältemittelfilter und Trockner- Refrigerant filter and dryer
- Kältemittelleitungen (Rohre oder Schläuche)- Refrigerant lines (pipes or hoses)
- Sicherheits- und Regel-/Kontrolleinrichtungen- Security and regulation / control devices
- Kältmittel (z. B. R134a, FKW's, Propan)- refrigerant (e.g. R134a, PKW's, propane)

Vergleicht man die Anforderungen von Fahrzeugklimaanlagen mit einer an sich bekannten in einem Gebäude installierten Klimaanlage, so ist festzustellen, dass eine Fahrzeug klimatisierung ungleich schwieriger zu bewältigen ist. Man denke nur an die verschiedensten und sich oft schnell ändernden Einflussgrössen, wie Sonneneinstrahlung, Anzahl der Mit fahrer, Wärmeabstrahlung von Motor, Getriebe und elektrischen Verbrauchern, ungleich mässige Luftverteilung, ständig wechselnde Fahrgeschwindigkeiten und Motordrehzahlen.Comparing the requirements of vehicle air conditioning systems with a known in Air conditioning installed in a building, it should be noted that a vehicle air conditioning is much more difficult to manage. Just think of the most diverse and often rapidly changing influencing factors, such as solar radiation, number of participants driver, heat radiation from engine, transmission and electrical consumers, unequal moderate air distribution, constantly changing driving speeds and engine speeds.

Die Klimaanlagen in Fahrzeugen, wie sie millionenfach eingebaut wurden, sind fast ausschließlich Kompressionskälteanlagen, überwiegend mit dem Kältemittel R134a, und der Verwendung eines offenen Verdichters mit Magnetkupplung.The air conditioning systems in vehicles, as they have been installed millions of times, are almost only compression refrigeration systems, mainly with the refrigerant R134a, and the Use of an open compressor with magnetic coupling.

Der Antrieb des Verdichters erfolgt fast ausnahmslos über Keilriemen vom Motor her.The compressor is almost exclusively driven by V-belts from the engine.

Durch die weite Drehzahlspanne moderner Motoren, bis 1 : 12 und höher, ist der Lastzustand einer Fahrzeugklimaanlage bei einem ungeregelten Verdichter nicht allein von der thermischen Belastung der zu klimatisierenden Fahrzeugkabine sondern von der Drehzahl des Motors abhängig.Due to the wide speed range of modern engines, up to 1:12 and higher, the load state a vehicle air conditioning system with an uncontrolled compressor not only by the thermal load on the vehicle cabin to be air-conditioned but on the speed dependent on the engine.

Diese ungeregelten Verdichter weisen lediglich eine Zweipunktregelung, d. h. nur durch Ein- und Ausschalten über eine Magnetkupplung, auf. Als Regelgröße wird im wesentlichen die Vereisungsgrenze des Verdampfers verwendet.These uncontrolled compressors only have two-point control, i. H. only by and switching off via a magnetic coupling. The control variable is essentially the Icing limit of the evaporator used.

Die Nachteile dieser sogenannten Cycling Clutch-Betriebsweise liegen unter anderem in Schaltstößen, Temperaturschwankungen, Geräuschen sowie zu Betriebspunkten, welche zu hohe Beanspruchungen der Magnetkupplung und zu hohen Verdichteraustrittstemperaturen des Kältemittels, die energetisch nicht optimal sind, führen.The disadvantages of this so-called cycling clutch mode of operation are, inter alia, in Switching surges, temperature fluctuations, noises as well as operating points, which too high demands on the magnetic coupling and excessive compressor outlet temperatures of the refrigerant, which are not optimal in terms of energy.

Änderungen an der thermischen Belastung des Fahrzeuges, der Motordrehzahl oder der Fahrgeschwindigkeit, erfordern jeweils eine Anpassung der Klimaanlage an die veränderten Gegebenheiten.Changes in the thermal load of the vehicle, the engine speed or the Driving speed, each require an adjustment of the air conditioning to the changed Circumstances.

Da der Verdichter während der sich ständig ändernden Drehzahlen des Fahrzeugmotors eine im Vergleich zum Mittelwert höhere Kälteleistung erzeugen muß, läuft er in einem ungünstigen Betriebszustand.Because the compressor during the constantly changing speeds of the vehicle engine has to produce a higher cooling capacity than the mean value, it runs in one unfavorable operating condition.

Da sich die als optimal zu realisierende Verdichterdrehzahl durch die Abhängigkeit der Motordrehzahl nicht realisieren läßt, wurde versucht, dies mit leistungsgeregelten Ver dichtern zu erreichen.Since the compressor speed that can be realized as optimal is determined by the dependence of the Engine speed can not be realized, an attempt was made to do this with power-controlled Ver to reach poets.

Diese geregelten Verdichter basieren auf dem Prinzip der mechanischen Veränderung des geometrischen Fördervolumens. Die Steuerung dieser geregelten Verdichter läßt sich ebenfalls nur in relativ starren Grenzen dem tatsächlichen Kältebedarf anpassen. Der Nachteil der mit steigender Drehzahl zunehmenden mechanischen Verlustleistung bleibt generell erhalten. Die bisherigen Konstruktionen einschlägiger Klimaanlagen lassen einen befriedigenden Betrieb nicht zu.These regulated compressors are based on the principle of mechanical change of the geometric delivery volume. The control of these regulated compressors can be also adapt to the actual cooling demand only within relatively rigid limits. The disadvantage of increasing mechanical power loss with increasing speed remains generally preserved. The previous designs of relevant air conditioning systems let you satisfactory operation too.

Die erfindungsgemäße Konstruktion: "Elektrisch angetriebene Klimaanlage mit elektronisch kommutiertem, permanenterregtem, bürstenlosem Synchronmotor" wurde speziell für die Erfordernisse moderner Fahrzeuge entwickelt, sie ist gleichermaßen anwendbar für LKW, PKW, Busse, Wasserfahrzeuge, landwirtschaftliche-, militärische- und sonstige Fahrzeuge sowie Schienenfahrzeuge. The construction according to the invention: "Electrically driven air conditioning system with electronic commutated, permanently excited, brushless synchronous motor "was specially developed for the Developed the requirements of modern vehicles, it is equally applicable to trucks, Cars, buses, watercraft, agricultural, military and other vehicles as well as rail vehicles.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht dadurch, daß der Kältemittelverdichter nicht vom Fahrzeugmotor sondern über einen separaten elektronisch kommutierten, permanent erregten, bürstenlosen Synchronmotor im Folgenden kurz "bürstenloser Synchronmotor" genannt, angetrieben wird, der seine Betriebsenergie aus dem fahrzeugseitigen Bordnetz bezieht und deshalb die apparativen Teile nicht notwendigerweise am Fahrzeugmotor, sondern auch an anderer Stelle ortsunabhängig eingebaut werden können, erhebliche konstruktive, kältetechnische und energiesparende Vorteile. Außerdem ist die konstruktive Ausstattung durch ihre geringe Masse platz-, volumen- und energiesparend. Zur besseren Anschauung ist diesem Text in Anlage das Schema einer Fahrzeugklimaanlage beigefügt (Abb 1a) mit herausgezeichnetem erfindungsgemäßem Bauteil (Abb. 1b).The present invention enables the refrigerant compressor to be driven not by the vehicle engine but by a separate electronically commutated, permanently excited, brushless synchronous motor, hereinafter referred to as "brushless synchronous motor", which draws its operating energy from the vehicle electrical system and therefore does not use the equipment necessarily on the vehicle engine, but also elsewhere can be installed, significant constructive, refrigeration and energy-saving advantages. In addition, the low weight of the structural equipment saves space, volume and energy. For better understanding, the text of the vehicle air conditioning system is attached to this text (Fig. 1 a) with the component according to the invention drawn out ( Fig. 1b).

Der Betrieb der elektronischen Kommutierung mittels Gleichstrom aus dem Bordnetz schafft die folgenden Vorteile:
Operating electronic commutation using direct current from the vehicle electrical system creates the following advantages:

a) Wegfall der kraftschlüssigen Verbindungsteile zum Fahrzeugmotor (Riemenscheibe, Keilriemen, Magnetkupplung),a) Elimination of the non-positive connection parts to the vehicle engine (pulley, V-belt, magnetic coupling),
b) besserer Wirkungsgrad durch laufende, kontinuierliche und stufenlose Angleichung der Verdichterdrehzahl an den tatsächlichen Kältebedarf (Steuerung der Verdichterdrehzahl über eine Angleichung an die einprogrammierte, kältebedarfsgerechte und betriebsoptimierte Idealkurve),b) better efficiency through ongoing, continuous and continuous adjustment of the Compressor speed to the actual cooling demand (Control of the compressor speed via an adjustment to the programmed, ideal curve suitable for cold requirements and optimized for operation),
c) auch bei abgeschaltetem Fahrzeugmotor ist der Betrieb der Fahrzeugklimaanlage, über den fahrzeugseitigen Batterieanschluß bis zu mehreren Stunden möglich,c) even when the vehicle engine is switched off, the operation of the vehicle air conditioning system is over the vehicle battery connection possible up to several hours,
d) über einen zusätzlichen Spannungswandler ist bei abgeschaltetem Fahrzeugmotor ein Dauerbetrieb der Fahrzeugklimaanlage auch über herkömmliche Wechselstromnetze gegeben,d) via an additional voltage converter when the vehicle engine is switched off Continuous operation of the vehicle air conditioning system via conventional AC networks given
e) zusätzliche Komponenten einer Fahrzeugklimaanlage, die bisher aufgrund der Vibrationen nicht am Fahrzeugmotor angebracht wurden, können bei der vorliegenden Erfindung modular in einem Gehäuse mit dem Verdichter und dem Antriebsmotor zusammengefaßt werden (z. B. Sammler/Trockner und elektronische Bauteile),e) additional components of a vehicle air conditioning system, which was previously due to the Vibrations not attached to the vehicle engine can occur with the present Invention modular in a housing with the compressor and the drive motor be grouped together (e.g. collector / dryer and electronic components),
f) durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird die Drehzahl des Kältemittelverdichters (Klimakompressor) von 0 bis zu hohen Drehzahlen, z. B. bis 10000 U/min z. B. 100-8000 U/min. vorzugsweise 500-3000 U/min. als Drehzahlbereich, hochgefahren; durch die Vermeidung des Einschaltimpulses bei der üblicherweise schlagartigen Drehzahlanpassung des Verdichters an die Fahrzeugmotordrehzahl entfällt die starke mechanische Belastung der Antriebsteile,f) by the construction according to the invention, the speed of the refrigerant compressor (Air conditioning compressor) from 0 to high speeds, e.g. B. up to 10,000 rpm z. B. 100-8000 rpm. preferably 500-3000 rpm. as speed range, ramped up; through the Avoiding the switch-on impulse during the usually sudden speed adjustment of the compressor to the vehicle engine speed eliminates the strong mechanical Loading of the drive parts,
g) bessere Gewichtsverteilung durch beliebige Platzierung im Fahrzeug,g) better weight distribution through any placement in the vehicle,
h) geringere Belastung der Kurbelwellenlager durch Wegfall des Keilriemens zum Kältever dichterantrieb,h) lower load on the crankshaft bearings due to the elimination of the V-belt for cooling poet drive,
i) durch die bessere Angleichung der Verdichterdrehzahlen an den momentan tatsächlich erforderlichen Kühlbedarf ist eine bessere Energieausnutzung bei der zugeführten Antriebsenergie einkonstruiert; dadurch ist die Verwendung kleinerer Kältemittel verdichter im Vergleich zu den herkömmlichen möglich,i) by better aligning the compressor speeds with the actual ones Required cooling requirement is better energy utilization when fed Drive energy built in; this means the use of smaller refrigerants compressors compared to the conventional possible
j) durch das Zusammenlegen des Kältemittelverdichters mit dem Antriebsmotor und der zugehörigen Leistungselektronik ist eine modulare Bauform möglich;
damit ist ein geringer Montage- und Serviceaufwand verbunden;
die Ausrüstung der Fahrzeuge kann sowohl im Produktionsverfahren, wie auch durch nachträglichen Einbau erfolgen,j) by combining the refrigerant compressor with the drive motor and the associated power electronics, a modular design is possible;
this is associated with little assembly and service expenditure;
the vehicles can be equipped both in the production process and by retrofitting,
k) durch die Zusammenfassung mehrerer Klimaanlagenteile in ein Modul ergibt sich eine außerordentlich rationelle Vorbereitung für Produktion und Einbau,k) by combining several air conditioning system parts in one module, one results extremely rational preparation for production and installation,
l) ein weiterer großer Vorteil durch die Verwendung des bürstenlosen Synchronmotors liegt darin, dass dieser kurzzeitig mit dem mehrfachen des angegebenen Dauerdrehmoments betrieben werden kann um damit die benötigten hohen Einschaltmomente der üblichen offenen Kältemittelverdichter zu erreichen; beispielsweise werden im Drehzahlbereich von 500-3000 U/min. 3-30 Nm erreicht. Diese hohen Einschaltmomente treten besonders während des laufenden Betriebes mit hohen Drücken in der Klimaanlageauf; besonders vorteilhaft läuft der bürstenlose Synchronmotor bei Dauerbetrieb dann, wenn er mit einem nahezu gleichmäßigem Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich läuft; um dies zu erreichen, ist die Permanenterregung des Motors erforderlich.l) Another great advantage is the use of the brushless synchronous motor in that it briefly multiplies the specified continuous torque can be operated in order to achieve the required high starting torques of the usual to reach open refrigerant compressors; for example, in the speed range from 500-3000 rpm. 3-30 Nm reached. These high switch-on torques occur particularly during operation with high pressures in the air conditioning system; especially The brushless synchronous motor advantageously runs in continuous operation when it is operated with a almost constant torque runs over the entire speed range; around this to achieve this, the permanent excitation of the motor is required.

Im Gegensatz zu Asynchronmotoren, Drehstrommotoren, Wechselstrommotoren und Gleichstrommotoren mit Bürsten, liegt der besondere Vorteil des elektronisch kommutierten, permanenterregten, bürstenlosen Synchronmotors gemäß der Erfindung darin, dass dieser über ein hohes Anfangsdrehmoment, eine hohe Leistungsdichte und damit äußerst kompakte Bauform verfügt, die Drehmomentkurve sich gleichmässig über den gesamten Drehzahl bereich verteilt, dass der Synchronmotor keinem Verschleiss durch abgeriebene Bürsten und eingelaufene Anker unterliegt und damit während der üblichen Fahrzeugbetriebsdauer wartungsfrei ist. In contrast to asynchronous motors, three-phase motors, AC motors and DC motors with brushes, the particular advantage of the electronically commutated, permanent magnet, brushless synchronous motor according to the invention in that this with a high starting torque, a high power density and thus extremely compact Design, the torque curve is even over the entire speed distributed area that the synchronous motor no wear through rubbed brushes and broken anchor is subject and therefore during the usual vehicle operating time is maintenance free.

Während die übliche in der Literatur angegebene Verwendungsdauer einer Fahrzeugklima anlage 2500-3000 Betriebsstunden beträgt, ist bei der erfindungsgemäßen Konstruktion eine Betriebsdauer von 5000-10000 Betriebsstunden gegeben.While the usual use of a vehicle air conditioning system is 2500-3000 operating hours, in the construction according to the invention there is an operating time of 5000-10000 operating hours.

Die hohen Einschaltmomente werden besonders bei Betriebszuständen der Fahrzeugklima anlage benötigt, wenn der Vereisungsfühler den Verdichter abschaltet und danach, bei noch anstehendem Druck, der Verdichter wieder zugeschaltet wird und gegen die hohen Drücke arbeiten muss.The high switch-on torques become particularly apparent in the operating conditions of the vehicle climate system is required when the icing sensor switches off the compressor and then, when still pressure, the compressor is switched on again and against the high pressures Must work.

Bei herkömmlichen Anlagen wird die warme Fahrzeugkabinenluft durch den Verdampfer (Wärmetauscher) der Klimaanlage geführt und damit abgekühlt; der Verdampfer wird mit einem herkömmlichen Kältemittel, z. B. R134a, ohne Einsatz von Wasser, gekühlt.In conventional systems, the warm vehicle cabin air is released through the evaporator (Heat exchanger) of the air conditioning system and thus cooled; the evaporator comes with a conventional refrigerant, e.g. B. R134a, cooled without the use of water.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass die Kühlung der Fahrerkabine durch Wasser als Übertragungsmedium bewirkt wird. Dazu muß über einen Verdampfer Wasser abgekühlt und über den Heizungswärme tauscher, Teil 8 der Zeichnung, geführt werden. (Kaltwassersatz).A particularly advantageous embodiment of the arrangement according to the invention consists in that the cooling of the driver's cabin is effected by water as the transmission medium. For this purpose, water must be cooled using an evaporator and passed over the heating heat exchanger, part 8 of the drawing. (Chiller).

Claims

1. Fahrzeugklimaanlage mit einem Verdichter in Hubkolben- (axialer oder radialer Auslegung), Flügelzellen- oder Spiralbauweise (Scrollverdichter), der getriebelos, direkt über einen elektronisch kommutierten, permanenterregten, bürstenlosen Synchronmotor und mit Gleichstrom versorgter Kommutierungselektronik angetrieben wird, deren Versorgungsstrom aus dem Bordnetz des Fahrzeuges oder über einen Gleichrichter aus dem Wechselstromnetz entnommen wird.1. Vehicle air conditioning with a compressor in reciprocating (axial or radial Design), vane or spiral design (scroll compressor), the gearless, directly via an electronically commutated, permanently excited, brushless Synchronous motor and commutation electronics supplied with direct current the supply current from the vehicle electrical system or via a Rectifier is removed from the AC network.

2. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter ein offener Verdichter ist.2. Vehicle air conditioning system according to claim 1, characterized in that the Compressor is an open compressor.

3. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Klima anlage auch bei abgeschaltetem Fahrzeugmotor in Betrieb zu halten ist.3. Vehicle air conditioning system according to claim 1, characterized in that the climate system must be kept in operation even when the vehicle engine is switched off.

4. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver dichterdrehzahl kontinuierlich und stufenlos an den Kältebedarf angeglichen wird.4. Vehicle air conditioning system according to claim 2, characterized in that the Ver sealer speed is continuously and continuously adapted to the cooling requirements.

5. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterdrehzahl über eine Angleichung an eine einprogrammierte, kältebedarfs gerechte Kurve gesteuert und damit an den Kurvenverlauf angeglichen wird.5. Vehicle air conditioning system according to claim 1, characterized in that the Compressor speed via an adjustment to a programmed cooling requirement fair curve controlled and thus adjusted to the curve.

6. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterdrehzahl von 100-8000 U/min., vorzugsweise 500-3000 U/min. beträgt.6. Vehicle air conditioning system according to claim 1, characterized in that the Compressor speed of 100-8000 rpm, preferably 500-3000 rpm. is.

7. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der bürstenlose Synchronmotor bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 500-3000 U/min. ein Einschaltmoment von 2-50, vorzugsweise 3-30 Nm, aufweist.7. Vehicle air conditioning system according to claim 6, characterized in that the brushless synchronous motor at a speed of 500-3000 rpm. has a switch-on torque of 2-50, preferably 3-30 Nm.

8. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der bürsten lose Synchronmotor bei Dauerbetrieb mit einem nahezu gleichmäßigen Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich läuft.8. Vehicle air conditioning system according to claim 7, characterized in that the brushing loose synchronous motor in continuous operation with an almost uniform torque runs over the entire speed range.

9. Fahrzeugklimaanlage gemäß Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Fahrerkabine durch Wasser als Wärmeübertragungsmedium bewirkt wird.9. Vehicle air conditioning system according to claims 1-8, characterized in that the Cooling of the driver's cabin is effected by water as the heat transfer medium becomes.

10. Fahrzeugklimaanlage gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Verdampfer Wasser abgekühlt, über den Heizungswärmetauscher geführt und damit der warmen Kabinenluft die Wärme entzogen wird.10. A vehicle air conditioning system according to claim 9, characterized in that a Evaporator water cooled, passed over the heating heat exchanger and thus heat is extracted from the warm cabin air.