-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines kombinierten Heiz- und Kühl-Dampfkompressionssystems zur Verwendung in einem Fahrzeug.
-
HINTERGRUND
-
Hybridelektrofahrzeuge verwenden selektiv eine Brennkraftmaschine als eine Quelle für Eingangsdrehmoment zu einem Getriebe allein oder in Verbindung mit dem/den Traktionsmotor(en), während Elektrofahrzeuge mit erweiterter Reichweite eine kleinere Kraftmaschine nur bei Bedarf und ausschließlich zur Leistungsbeaufschlagung eines elektrischen Generators verwenden. Batterie-Elektrofahrzeuge verzichten auf den Gebrauch der kleinen Benzinkraftmaschine und arbeiten stattdessen unter Verwendung gespeicherter elektrischer Energie oder regenerativer Bremsenergie. Alle drei Fahrzeugkonfigurationen können ausschließlich mit Elektrizität arbeiten, was als ein Elektrofahrzeug-(EV)-Modus bezeichnet ist.
-
Bei einigen der obigen Fahrzeugausführungsformen wird ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS von engl.: ”Rechargeable Energy Storage System”) verwendet, um die wesentlichen Mengen an elektrischer Energie, die zum Antrieb des/der Traktionsmotors(en) erforderlich sind, alternativ zu speichern und zu liefern. Das RESS kann aus einer Batteriepackung mit mehreren Batteriemodulen bestehen, die jeweils mehrere zylindrische oder flache/tafelartige Batteriezellen enthalten.
-
Es ist gewünscht, Dampfkompressionssysteme innerhalb der obigen Fahrzeugausführungsformen zu verwenden, die effizient arbeiten können, während der Betrieb mit erweiterter elektrischer Reichweite bei einer Mehrzahl von Umgebungstemperaturen zugelassen wird.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Es sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines kombinierten Heiz- und Kühl-Dampfkompressionssystems vorgesehen. Die Vorrichtung kann ein Fahrzeug sein und kann eine Kabine, ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS), einen RESS-Kühler und ein Dampfkompressionssystem aufweisen. Das Dampfkompressionssystem kann zumindest einen Controller, einen Kompressor, einen Kabinenverdampfer, zumindest zwei Wärmetauscher und eine elektrische Heizung aufweisen. Das Dampfkompressionssystem kann in einer Vielzahl von Moden betreibbar sein, einschließlich zumindest einem ersten Modus, einem zweiten Modus, einem dritten Modus und einem vierten Modus. Jeder der jeweiligen Moden ist auswählbar, um eine Kühlung, Erwärmung und Entfeuchtung der Fahrzeugkabine zu unterstützen. Der zumindest eine Controller ist derart konfiguriert, über das vorliegende Verfahren die Heiz- und Kühlfähigkeiten des Dampfkompressionssystems zu steuern und zu optimieren.
-
Das Verfahren zum Steuern eines kombinierten Heiz- und Kühl-Dampfkompressionssystems kann verschiedene Schritte aufweisen. Das Verfahren kann umfassen: Detektieren eines von einem ersten Vorzustand, einem zweiten Vorzustand sowie einem dritten Vorzustand mit zumindest einem Controller. Der erste Vorzustand ist eine Anforderung nach Kühlung in einer Fahrzeugkabine. Der zweite Vorzustand ist eine Anforderung nach Erwärmung und Entfeuchtung der Fahrzeugkabine. Der dritte Vorzustand ist eine Einforderung nach ausschließlich Erwärmung in der Fahrzeugkabine. Das Verfahren kann zusätzlich umfassen: Ausführen einer ersten Steueraktion mit dem zumindest einen Controller, wenn der erste Vorzustand detektiert ist. Ein Ausführen einer ersten Steueraktion erlaubt einen Betrieb des Dampfkompressionssystems in einem ersten Modus, bei dem Kühlen der Kabine angefordert ist. Das Verfahren kann zusätzlich umfassen: Ausführen einer zweiten Steueraktion mit dem zumindest einen Controller, wenn der zweite Vorzustand detektiert ist. Das Ausführen einer zweiten Steueraktion erlaubt einen Betrieb des Dampfkompressionssystems in einem zweiten Modus, in welchem sowohl Erwärmen der Kabine als auch Entfeuchten der Kabine angefordert sind. Schließlich kann das Verfahren umfassen: Ausführen einer dritten Steueraktion mit dem zumindest einen Controller, wenn der dritte Vorzustand detektiert ist. Das Ausführen einer dritten Steueraktion erlaubt einen Betrieb des Dampfkompressionssystems in einem dritten Modus, in welchem ausschließlich Erwärmung der Kabine angefordert ist.
-
Die erste Steueraktion kann ferner Schritte umfassen, die notwendig sind, um ein Kühlen der Fahrzeugkabine zu unterstützen.
-
Die zweite Steueraktion kann ferner Schritte, um die Optimierung der Verdampferlufttemperatur eines Kabinenverdampfers zu unterstützen, und Schritte umfassen, um die Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe zu regulieren. Die Verdampferlufttemperatur kann ermittelt werden, um einen Kabinenkomfort, eine Dampfbildung bzw. ein Beschlagen der Kabine und einen Kabinengeruch zu steuern, indem die Drehzahl eines Kompressors eingestellt wird. Eine Wärmepumpenleistungsfähigkeit kann durch Einstellen des Ausgangs der Heizung und Einstellen der Strömung von Kältemittel durch das RESS oder den RESS-Kühler reguliert werden.
-
Die dritte Steueraktion kann ferner Schritte umfassen, um den Wirkungsgrad des Dampfkompressionssystems und der Wärmepumpenleistungsfähigkeit davon zu maximieren. Der Wirkungsgrad und die Wärmepumpenleistungsfähigkeit des Dampfkompressionssystems können durch Bewerten und Optimieren des Entladedrucks und des Saugdrucks des Kompressors durch Einstellen der Kompressordrehzahl und Einstellen der Kältemittelströmung durch den zweiten Wärmetauscher maximiert werden.
-
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger der besten Moden und anderen Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung, wie in den angefügten Ansprüchen definiert ist, in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform des Dampfkompressionssystems, das in einem ersten Modus arbeitet;
-
2 ist ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform des Dampfkompressionssystems, das in dem ersten Modus arbeitet;
-
3 ist ein schematisches Diagramm der ersten Ausführungsform des Dampfkompressionssystems, das in einem zweiten Modus arbeitet;
-
4 ist ein schematisches Diagramm der zweiten Ausführungsform des Dampfkompressionssystems, das in dem zweiten Modus arbeitet;
-
5 ist ein schematisches Diagramm der ersten Ausführungsform des Dampfkompressionssystems, das in einem dritten Modus arbeitet;
-
6 ist ein schematisches Diagramm der zweiten Ausführungsform des Dampfkompressionssystems, das in dem dritten Modus arbeitet;
-
7 ist ein schematisches Diagramm der ersten Ausführungsform des Dampfkompressionssystems, das in einem vierten Modus arbeitet;
-
8 ist ein schematisches Diagramm der zweiten Ausführungsform des Dampfkompressionssystems, das in dem vierten Modus arbeitet;
-
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Detektieren eines Bedarfs nach einem aus Kabinenkühlung, Kabinenerwärmung und Entfeuchtung und ausschließlich Kabinenerwärmung in einer Fahrzeugkabine und Ausführen von einem aus einer ersten Steueraktion, einer zweiten Steueraktion und einer dritten Steueraktion detailliert darstellt.
-
10 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte detailliert darstellt, die notwendig sind, um die erste Steueraktion auszuführen;
-
11 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte detailliert darstellt, die notwendig sind, um die zweite Steueraktion auszuführen;
-
12 ist ein Flussdiagramm, das den dritten Schritt der zweiten Steueraktion detailliert darstellt, nämlich den Betrieb eines Kompressors, um das Kältemittel durch das Dampfkompressionssystem umzuwälzen;
-
13 ist ein Flussdiagramm, das den vierten Schritt der zweiten Steueraktion detailliert darstellt, nämlich ein Bewerten der Wärmepumpenleistungsfähigkeit des Dampfkompressionssystems, wenn der Kompressor bei einer vorbestimmten Drehzahl arbeitet; und
-
14 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte detailliert darstellt, die notwendig sind, um die dritte Steueraktion auszuführen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Die folgende Beschreibung und die Figuren betreffen beispielhafte Ausführungsformen und sind lediglich illustrativer Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. In den Figuren sind einige Komponenten mit standardisierten oder grundsätzlichen Symbolen gezeigt. Diese Symbole sind nur repräsentativ und veranschaulichend und in keiner Weise beschränkend für irgendeine spezifische Konfiguration, die gezeigt ist, für Kombinationen zwischen den verschiedenen Konfigurationen, die gezeigt sind, oder für die Ansprüche. Alle Beschreibungen von Komponenten sind mit offenem Ende zu verstehen und beliebige Beispiele von Komponenten sind nicht erschöpfend.
-
Bezug nehmend auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den verschiedenen Ansichten entsprechen, ist eine Steuerstrategie 300 zum Steuern eines Dampfkompressionssystems 100, 200 zur Verwendung in einem Fahrzeug vorgesehen, das eine Kabine 122 und einen RESS-Kühler 115 aufweist, der entweder in oder außerhalb eines wiederaufladbaren Energiespeichersystems (RESS) 110 untergebracht ist.
-
Das Dampfkompressionssystem 100, 200 kann derart konfiguriert sein, die Temperatur der Kabine 122 und des RESS 110 zu steuern. Das Dampfkompressionssystem 100 und die Steuerstrategie 300 dafür sind hier beschrieben und in den 1–12 gezeigt. Das Dampfkompressionssystem 100, 200 ist mit Bezug auf einen ersten Betriebsmodus, der in den 1 und 2 gezeigt ist, einen zweiten Betriebsmodus, der in den 3 und 4 gezeigt ist, einen dritten Betriebsmodus, der in den 5 und 6 gezeigt ist, und einen vierten Betriebsmodus beschrieben, der in den 7 und 8 gezeigt ist. Die Steuerstrategie und das Verfahren 300 sind allgemein in dem Flussdiagramm von 9 und mit Bezug auf eine erste Steueraktion 305, die in 10 detailliert dargestellt ist, eine zweite Steueraktion 306, die in den 11 und 13 detailliert dargestellt ist, und eine dritte Steueraktion 307, die in 14 detailliert dargestellt ist, gezeigt.
-
Allgemein Bezug nehmend auf die 1 bis 8 kann das Dampfkompressionssystem 100, 200 in einem Fahrzeug verwendet werden, das eine Kabine 122, einen RESS-Kühler 115 und ein RESS 110 aufweist. Das Dampfkompressionssystem 100, 200 kann zumindest einen Controller 123, einen Kompressor 102, einen Kabinenverdampfer 113, einen ersten Wärmetauscher 103, einen zweiten Wärmetauscher 111a, 111c, ein erstes Strömungssteuerventil 120, ein zweites Strömungssteuerventil 106 und eine elektrische Luftheizung 112 aufweisen.
-
Der Kompressor 102 kann von einem Elektromotor (nicht gezeigt) betrieben sein, der eine einzelne oder variable Drehzahlvielfalt aufweisen kann. Der Kompressor 102 kann auch eine Pumpe sein, die durch einen Riemen angetrieben wird, der mit einem Vortriebssystem (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Kompressor 102 kann einen Einlass 126 und einen Auslass 127 aufweisen und derart konfiguriert sein, Kältemittelgas an dem Einlass 126 aufzunehmen. Zumindest ein unterseitiger Kältemitteldrucksensor 116 kann an der Niederdruckseite des Kompressors 102 in der Nähe des Kompressoreinlasses 126 positioniert sein, um den Saugdruck des Kompressoreinlasses 126 zu bewerten. Der Kompressor 102 führt eine Druckbeaufschlagung des Kältemittelgases in einen Hochdruckzustand durch. Der Kompressor 102 ist ferner derart konfiguriert, komprimiertes Kältemittelgas an dem Auslass 127 über zumindest einen oberseitigen Kältemitteldrucksensor 117 auszustoßen, der an der Hochdruckseite des Kompressors 102 nahe dem Kompressorauslass 127 positioniert ist. Der oberseitige Drucksensor 117 ist derart konfiguriert, den Kompressoraustragsdruck zu bewerten. Der Kompressor 102 kann Kältemittel über den oberseitigen Drucksensor 117 zu einem von dem ersten Wärmetauscher 103 und dem zweiten Wärmetauscher 111a, 111c abhängig von dem Betriebsmodus ausstoßen, der von dem Controller 123 gewählt ist, wie nachfolgend beschrieben ist.
-
Der erste Wärmetauscher 103 kann derart konfiguriert sein, Kältemittel von dem Kompressor 102 aufzunehmen, und kann ferner derart konfiguriert sein, druckbeaufschlagtes Kältemittelgas, wenn es durch den ersten Wärmetauscher 103 strömt, in dem Ausmaß zu kühlen und zu kondensieren, dass das druckbeaufschlagte Kältemittelgas bis zu einem Punkt gekühlt und kondensiert wird, bei dem es in einen Flüssigzustand rückgeführt wird. Der erste Wärmetauscher 103 kann ein Wärmetauscher von Kältemittel auf Luft sein und kann in Wärmeaustauschbeziehung mit dem durch den ersten Wärmetauscher 103 strömenden Kältemittel und der Umgebungsluft stehen. Der erste Wärmetauscher 103 kann derart konfiguriert sein, gekühltes flüssiges Kältemittel zu einem ersten Strömungssteuerventil 120 auszustoßen.
-
Der zweite Wärmetauscher 111a, 111c kann derart konfiguriert sein, Kältemittel von dem Kompressor 102 aufzunehmen, und kann ferner konfiguriert sein, das Kältemittel zu kühlen und zu kondensieren. Wie in den 1, 3, 5 und 7 gezeigt ist, kann der zweite Wärmetauscher 111a ein Wärmepumpenkondensator von Kältemittel auf Luft sein. Der zweite Wärmetauscher 111a kann in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kältemittel, das durch den zweiten Wärmetauscher 111a strömt, und Luft stehen, die über den zweiten Wärmetauscher 111a strömt. Wie in den 2, 4, 6 und 8 gezeigt ist, kann der zweite Wärmetauscher 111c ein Wärmetauscher 111c von Kältemittel auf Kühlmittel sein, der in dem Fahrzeugmotorraum 160 angeordnet ist. Der zweite Wärmetauscher 111c kann einen zweiten Kältemittelhohlraum 140 und einen zweiten Kühlmittelhohlraum 137 aufweisen. Der zweite Kältemittelhohlraum 140 und das hindurchströmende Kältemittel können in Wärmeaustauschverbindung mit dem zweiten Kühlmittelhohlraum 137 und einem hindurchströmenden Kühlmittel stehen. Der zweite Wärmetauscher 111c kann derart konfiguriert sein, gekühltes flüssiges Kältemittel an ein erstes Strömungssteuerventil 120 auszustoßen.
-
Das erste Strömungssteuerventil 120 kann ein Dreiwegeventil mit zwei Positionen sein. Das erste Strömungssteuerventil 120 kann derart konfiguriert sein, eine aus einer ersten Position, um eine Kabinenkühlung (in den 1 und 2 gezeigt) zu unterstützen, einer zweiten Position, um eine Kabinenerwärmung und -entfeuchtung (in den 3 und 4 gezeigt) oder ausschließlich eine Kabinenerwärmung (in den 5 und 6 gezeigt) zu unterstützen, und einer dritten Position zu besetzen, die eine gleichzeitige Kabinenerwärmung und -kühlung erlaubt (in den 7 und 8 gezeigt). Das erste Strömungssteuerventil 120 kann auch durch zwei unabhängige Strömungssteuerventile ersetzt sein, die in der Lage sind, eine Strömung durch den ersten Wärmetauscher 103 und den zweiten Wärmetauscher 111a, 111c zu dosieren.
-
Der Aufnehmertrockner 105 kann derart konfiguriert sein, flüssiges Hochdruckkältemittel von dem ersten Strömungssteuerventil 120 aufzunehmen. Der Aufnehmertrockner 105 kann eine Mehrzahl von Trocknungsmitteln (nicht gezeigt) aufweisen, um Feuchtigkeit von dem Kältemittel anzuziehen und zu entfernen. Der Aufnehmertrockner 105 kann ferner derart konfiguriert sein, die unter hohem Druck stehende Kältemittelflüssigkeit zu einem aus einer ersten Expansionsvorrichtung 108 und einer zweiten Expansionsvorrichtung 107 über ein zweites Strömungssteuerventil 106 auszustoßen.
-
Wenn die Entfeuchtung der Kabine 122 nicht erforderlich ist, wird das gesamte flüssige Kältemittel an die erste Expansionsvorrichtung 108 aufgrund dessen gelenkt, dass das zweite Strömungssteuerventil 106 in einer geschlossenen Position ist.
-
Die erste Expansionsvorrichtung 108 kann eine Expansion des unter hohem Druck befindlichen flüssigen Kältemittels ermöglichen, wodurch der Druck in dem System 100, 200 reduziert wird. Die erste Expansionsvorrichtung 108 kann Kältemittel an den RESS-Kühler 115 bei einem signifikant reduzierten Druck lenken und selektiv verteilen. Die zweite Expansionsvorrichtung 108 kann ein Thermostatventil oder ein Ventil zur thermischen Expansion sein und kann konfiguriert sein, um einen konstanten Verdampferüberhitzungszustand zu halten, wenn das Kältemittel in den RESS-Kühler 115 eintritt, der als ein Verdampfer wirkt. Die zweite Expansionsvorrichtung 108 kann die Temperatur des den RESS-Kühler 115 verlassenden Kältemittels überwachen, wie mit einem Sensor oder einer Thermostatkugel, und kann die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers dadurch verbessern, dass zusätzliches oder weniger Kältemittel in den RESS-Kühler 115 gelassen wird.
-
Der RESS kann die Fahrzeugbatterie 101, eine Batterieheizung 109 und den RESS-Kühler 115 unterbringen. Der RESS-Kühler 115 kann in oder außerhalb des RESS 110 angeordnet sein. Der RESS-Kühler 115 kann ein Wärmetauscher von Kältemittel auf Kühlmittel sein und kann einen ersten Kühlmittelhohlraum 131 und einen ersten Kältemittelhohlraum 132 aufweisen. Der RESS-Kühler 115 kann derart konfiguriert sein, Wärme zwischen dem ersten Kühlmittel, das durch den ersten Kühlmittelhohlraum 131 strömt, und dem Kältemittel, das durch den ersten Kältemittelhohlraum 132 strömt, zu tauschen. Das erste Kühlmittel kann entlang eines ersten Kühlmittelkreislaufs 124 über eine erste Kühlmittelpumpe 128 zirkuliert werden und das Kältemittel durch den Kompressor 102 zirkuliert werden. Die erste Kühlmittelpumpe 128 kann bei verschiedenen Drehzahlen betrieben werden, um den Kühlmitteldurchfluss durch den RESS-Kühler 115 und das RESS 110 zu ändern. Der RESS-Kühler 115 kann als ein Verdampfer funktionieren, um Wärme von dem RESS 110 über das erste Kühlmittel zu dem Kältemittel zu dissipieren. Der RESS 110 kann Kältemittel zurück zu dem Kompressor 102 lenken.
-
Wenn eine Entfeuchtung der Kabine 122 notwendig ist, kann das zweite Strömungssteuerventil 106 teilweise oder vollständig öffnen, wodurch zugelassen wird, dass einiges oder das gesamte Kältemittel, das von dem Empfängertrockner 105 ausgestoßen wird, an eine zweite Expansionsvorrichtung 107 verteilt wird. Die zweite Expansionsvorrichtung 107 kann Kältemittel an den Kabinenverdampfer 113 bei einem signifikant reduzierten Druck lenken und selektiv verteilen. Die Druckexpansionsvorrichtung 107 kann ein Thermostatventil oder ein Ventil zur thermischen Expansion sein und kann derart konfiguriert sein, einen konstanten Verdampferüberhitzungszustand zu halten, wenn das Kältemittel in den Kabinenverdampfer 113 eintritt. Die zweite Expansionsvorrichtung 107 kann die Temperatur des den Kabinenverdampfer 113 verlassenden Kältemittels überwachen, wie mit einem Sensor oder einem Kolben, und kann die Leistungsfähigkeit des Wärmetaustauschers dadurch verbessern, dass zusätzliches oder weniger Kältemittel in den Kabinenverdampfer 113 gelassen wird.
-
Der Kabinenverdampfer 113 kann in dem HVAC-Modul (nicht gezeigt) angeordnet sein. Der Kabinenverdampfer 113 kann Windungen (nicht gezeigt) aufweisen. Der Kabinenverdampfer 113 kann derart konfiguriert sein, die über die Windungen (nicht gezeigt) und in die Kabine 122 strömende Luft zu kühlen und zu entfeuchten. Der Kabinenverdampfer 113 kann ferner ein Gebläse (nicht gezeigt) aufweisen, um Luft über die Windungen zu lenken, die mit Kältemittel imprägniert sind, und die Richtung der Luft in die Kabine 122 zu unterstützen. Der Kabinenverdampfer 113 kann ferner derart konfiguriert sein, Kältemittel zurück zu dem Kompressor 102 zu lenken.
-
Das Dampfkompressionssystem 100, 200 kann auch eine elektrische Heizung 112 aufweisen. Die Heizung kann in dem HVAC-Modul untergebracht sein. Die Heizung 112 kann die Luft, die von der Kabine 122 aufgenommen wird, konditionieren und erwärmen.
-
Wie in den 2, 4, 6 und 8 gezeigt ist, kann ein dritter Wärmetauscher 118 ein Wärmetauscher von Kühlmittel auf Luft sein, wie einen herkömmlichen Kühlmittelheizungskern. Der dritte Wärmetauscher 118 kann in einem zweiten Kühlmittelkreislauf 169 zusammen mit dem zweiten Wärmetauscher 111c angeordnet sein, der ein Wärmetauscher von Kältemittel auf Kühlmittel ist. Kühlmittel, das entlang des zweiten Kühlmittelkreislaufs 169 zirkuliert wird, kann über eine zweite Kühlmittelpumpe 129 zirkuliert werden. Das erwärmte Kühlmittel, das durch den zweiten Kühlmittelhohlraum 137 des zweiten Wärmetauschers 111c strömt, kann von dem zweiten Kühlmittelhohlraum 137 ausgestoßen und durch den dritten Wärmetauscher 118 gelenkt werden. Der dritte Wärmetauscher 118 kann Kühlmittel zurück zu dem zweiten Kühlmittelhohlraum 137 des zweiten Wärmetauschers 111c ausstoßen.
-
Wie in den 1–8 gezeigt ist, weist jedes des Dampfkompressionssystems 100, 200 zumindest einen Controller 123 auf, der elektrisch mit zumindest einer elektrischen Verbindung 136 verbunden ist. Der zumindest eine Controller 123 ist derart konfiguriert, das Dampfkompressionssystem 100, 200 in einer Vielzahl von Betriebsmoden zu überwachen und zu steuern und Prozessanweisungen auszuführen, die ein Verfahren darstellen, das eine erste Steueraktion 302, eine zweite Steueraktion 303 und eine dritte Steueraktion 304 aufweist, wie in 9 gezeigt ist.
-
Der zumindest eine Controller 123 kann derart konfiguriert sein, mit dem Motor (nicht gezeigt) zu kommunizieren, der den Kompressor 102 antreiben kann. Das zumindest eine Steuermodul 123 kann ferner derart konfiguriert sein, mit dem Kompressor 102; der ersten und zweiten Expansionsvorrichtung 108, 107; dem ersten und zweiten Strömungssteuerventil 120, 106; der ersten und der zweiten Kühlmittelpumpe 128, 129; und anderen Subsystemen durch die zumindest eine elektrische Verbindung 136 zu kommunizieren.
-
Der Controller 123 kann als eine Hostmaschine oder ein verteiltes System ausgeführt sein, z. B. ein Digitalcomputer oder Mikrocomputer, der als ein Fahrzeugsteuermodul wirkt, und/oder als ein Proportional-Integral-Differential-(PID)-Reglervorrichtung mit einem Prozess und einem konkreten nichtflüchtigen Speicher, wie einem Nurlesespeicher (ROM) oder Flashspeicher. Der Controller 123 kann auch einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nurlesespeicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeitstakt, Analog/Digital-(A/D)- und/oder Digital/Analog-(D/A)-Schaltung sowie jegliche erforderliche Eingangs/Ausgangsschaltungen und zugeordnete Vorrichtungen, wie auch jegliche erforderliche Signalkonditionierungs- und/oder Signalpufferschaltung aufweisen.
-
Bezug nehmend auf die 9–14 kann in Verbindung mit dem Aufbau der beispielhaften Systeme 100, 200, die in den 1–8 gezeigt sind, das vorliegende Verfahren (in 9 im Flussdiagramm mit 300 gezeigt) nützlicherweise dazu verwendet werden, eine Steuerstrategie für ein Dampfkompressionssystem 100, 200 zu bewirken.
-
Bezug nehmend auf 9 detektiert bei Schritt 301 der Controller 123 einen aus einem ersten Vorzustand 302, einem zweiten Vorzustand 303 und einem dritten Vorzustand 304. Der erste Vorzustand 302 ist eine Angabe eines Bedarfs zur Kühlung in einer Fahrzeugkabine 122. Der zweite Vorzustand 303 ist eine Angabe eines Bedarfs nach Erwärmung und Entfeuchtung in der Fahrzeugkabine 122. Der dritte Vorzustand 304 ist eine Angabe eines Bedarfs zum ausschließlichen Erwärmen in der Fahrzeugkabine 122.
-
Wenn der Controller 123 den ersten Vorzustand 302 detektiert, der angibt, dass eine Kabinenkühlung erforderlich ist, führt der Controller 123 die erste Steueraktion aus, die bei Schritt 305 gezeigt ist, um zu ermöglichen, dass das Dampfkompressionssystem in einem ersten Modus arbeitet (in 1 und 2 gezeigt).
-
Wenn der Controller 123 einen zweiten Vorzustand 303 detektiert, der angibt, dass eine Kabinenheizung und -entfeuchtung jeweils erforderlich sind, führt der Controller 123 die zweite Steueraktion aus, die bei Schritt 306 gezeigt ist, um zu ermöglichen, dass das Dampfkompressionssystem in einem zweiten Modus arbeitet (in den 3 und 4 gezeigt).
-
Wenn der Controller einen dritten Vorzustand 304 detektiert, der angibt, dass ausschließlich eine Kabinenheizung erforderlich ist, führt der Controller 123 die dritte Steueraktion aus, die bei Schritt 307 gezeigt ist, um zu ermöglichen, dass das Dampfkompressionssystem in einem dritten Modus arbeitet (in den 5 und 6 gezeigt).
-
Bezug nehmend auf 10 ist die erste Steueraktion 305 detailliert dargestellt. Die Ausführung der ersten Steueraktion 305 erlaubt einen Betrieb des Systems in einem ersten Modus (in den 1 und 2 gezeigt), um eine Kabinenkühlung zu bewirken.
-
Bei Schritt 401 signalisiert der Controller 123 dem ersten Strömungssteuerventil 120, eine erste Position zu besetzen, um die Strömung des gesamten Kältemittels in den Dampfkompressionssystem 100, 200 durch den ersten Wärmetauscher 103 zu leiten. Das Lenken der Strömung des Kältemittels in dem Dampfkompressionssystem 100, 200 zu dem ersten Wärmetauscher 103 unterstützt eine Kabinenkühlung und eine Kühlung des RESS-Kühlers 115, wodurch eine Dissipation der Wärme des Kältemittels an die Umgebung zugelassen wird, wenn es durch den ersten Wärmetauscher 103 strömt.
-
Bei Schritt 402 signalisiert der Controller 123 dem zweiten Strömungssteuerventil 106, eine offene Position zu besetzen. Das Beibehalten des zweiten Strömungssteuerventils 106 in der offenen Position erlaubt ein selektives Lenken des Kältemittels zu jedem des RESS-Kühlers 115 über die erste Expansionsvorrichtung 108 und den Kabinenverdampfer 113, über das zweite Strömungssteuerventil 106 und die zweite Expansionsvorrichtung 107 gleichzeitig, um die Kabine 122 und den RESS-Kühler 115 zu kühlen.
-
Bei Schritt 403 signalisiert der Controller 123 dem Betrieb des Kompressors 102 bei einer vorbestimmten Drehzahl, um Kältemittel durch das Dampfkompressionssystem 100, 200 zu zirkulieren.
-
Bezug nehmend auf 11 ist die zweite Steueraktion 306 detailliert dargestellt. Die Ausführung der zweiten Steueraktion 306 erlaubt einen Betrieb des Systems in einem zweiten Modus (in den 3 und 4 gezeigt), um eine Kabinenerwärmung und -entfeuchtung zu bewirken.
-
Bei Schritt 501 signalisiert der Controller 123 dem ersten Strömungssteuerventil 120, eine zweite Position (in den 3 und 4 gezeigt) zu besetzen, um die Strömung des gesamten Kältemittels in dem Dampfkompressionssystem 100, 200 durch einen zweiten Wärmetauscher 111a, 111c zu lenken und ein Strömen des Kältemittels durch den ersten Wärmetauscher 103 und ein Dissipieren von Wärme an die Umgebung zu verhindern.
-
Bei Schritt 502 signalisiert der Controller 123 dem zweiten Strömungssteuerventil 106, die offene Position zu besetzen. Das Beibehalten des zweiten Strömungssteuerventils 106 in der offenen Position erlaubt ein selektives Lenken des Kältemittels an jeden des RESS-Kühlers 115 über die erste Expansionsvorrichtung 108 und den Kabinenverdampfer 113, über das zweite Strömungssteuerventil 106 und die zweite Expansionsvorrichtung 107 gleichzeitig, um die Kabine 122 zu kühlen und zu entfeuchten und den RESS-Kühler 115 zu kühlen.
-
Bei Schritt 503 signalisiert der Controller 123 den Betrieb des Kompressors 102, um das Kältemittel durch das Dampfkompressionssystem 100, 200 zu zirkulieren. Der Schritt 503 ist in den Schritten 505–508, wie in 12 gezeigt ist, weiter detailliert dargestellt. Der Betrieb des Kompressors 102 zur Zirkulation von Kältemittel durch das Dampfkompressionssystem 100, 200 umfasst ferner bei Schritt 505, dass der Controller 123 eine anfängliche vorbestimmte Betriebsdrehzahl für den Kompressor 102 setzt.
-
Bei Schritt 506 ermittelt der Controller 123 eine Zielverdampferlufttemperatur des Kabinenverdampfers 113 durch Bewerten des Feuchteniveaus und der Temperatur der Kabine 122, um einen Kabinenkomfort zu unterstützen, um eine Dampfbildung in der Kabine 122 zu vermeiden und Gerüche in der Kabine 122 zu verhindern. Das Ziel dieses Schrittes besteht darin, die Reichweite des Elektrofahrzeugs zu maximieren, während der Komfort in der Fahrzeugkabine 122 beibehalten wird, indem das Risiko einer hohen Feuchte in der Fahrzeugkabine 122 reduziert wird. Die optimale Verdampferlufttemperatur wird für sowohl den Kabinenkomfort, ein Verhindern des Beschlagens und ein Verhindern von Gerüchen berechnet. Der Controller 123 wählt dann über einen Algorithmus die niedrigste Verdampferlufttemperatur, die durch jeden der Ausgänge (Kabinenkomfort, Beschlagen, Geruch) erzeugt wird, als die Zielverdampferlufttemperatur für den Betrieb.
-
Um den Kabinenkomfort beizubehalten, ist es erwünscht, ein Feuchteverhältnis von weniger als elf (11) Gramm an Feuchtigkeit pro Kilogramm trockener Luft beizubehalten. Um ein Geruchsproblem in der Kabine 122 zu verhindern, ist es erwünscht, eine Verdampferlufttemperatur von weniger als etwa 10°C beizubehalten. Wenn das System in Betrieb ist, um ein Beschlagen zu verhindern, wie in einem Entfrostermodus, sollte die Verdampferlufttemperatur auf ein Minimum gesetzt werden, das zwischen etwa 2°C und etwa 4°C liegen kann.
-
Sobald die Zielverdampferlufttemperatur bei Schritt 506 berechnet wird, berechnet der Controller 123 bei Schritt 507 eine Zielkompressordrehzahl auf Grundlage der Zielverdampferlufttemperatur des Kabinenverdampfers 113.
-
Bei Schritt 508 stellt der Controller 123 die Kompressordrehzahl von der anfänglichen vorbestimmten Kompressordrehzahl auf die Zielkompressordrehzahl ein, die auf Grundlage der Zielverdampferlufttemperatur berechnet ist.
-
Die zweite Steueraktion 303 umfasst ferner einen Schritt 504. Bei Schritt 504 bewertet der Controller 123 die Wärmepumpenleistungsfähigkeit des Systems 100, 200, wenn der Kompressor 102 bei einer vorbestimmten Drehzahl arbeitet, nämlich der Zielkompressordrehzahl, die bei Schritt 507 berechnet und durch die bei Schritt 506 berechnete Zielverdampferlufttemperatur ermittelt ist.
-
Bei Schritt 504 ist in den Schritten 509–519, die in 13 gezeigt sind, weiter dargestellt. Bei Schritt 509 führt der Controller 123 ein Ergebnis der Wärmepumpenleistungsfähigkeit zurück, das einen aus einem ersten Zustand 511, einem zweiten Zustand 512 und einem dritten Zustand 513 angibt. Der erste Zustand 511 ist einer, bei dem die Wärmepumpenleistungsfähigkeit angemessen ist, was bedeutet, dass die Kabine 122 ausreichend Wärme empfängt, jedoch das Dampfkompressionssystem 100, 200 keine unnötige Arbeit ausführt. Der zweite Zustand 512 ist einer einer unangemessenen Wärmepumpenleistungsfähigkeit, bei dem das Dampfkompressionssystem 100, 200 nicht ausreichend Wärme für die Fahrzeugkabine 122 erzeugt. Der dritte Zustand 513 ist einer, bei dem die Wärmepumpenleistungsfähigkeit übermäßig ist, was bedeutet, dass das Dampfkompressionssystem 100, 200 Wärme für die Kabine 122 über die erforderliche Wärmemenge hinaus bereitstellt und daher unnötige Arbeit ausführt.
-
Allgemein stellt während des Schritts 510 der Controller 123 die Strömung von Kühlmittel durch den RESS-Kühler 115 und den Ausgang der elektrischen Heizung 112 ein, um ein Ergebnis der Wärmepumpenleistungsfähigkeit zu erhalten, das den ersten Zustand 511 angibt, wo die Wärmepumpenleistungsfähigkeit angemessen ist. Die Strömung durch den RESS-Kühler 115 und den Ausgang der elektrischen Heizung 112 werden auf Grundlage des Ergebnisses der Wärmepumpenleistungsfähigkeit, die bei Schritt 509 zurückgeführt wird, eingestellt.
-
Wenn das bei Schritt 509 rückgeführte Ergebnis einen ersten Zustand 511 angibt, bei dem die Wärmepumpenleistungsfähigkeit angemessen ist, können die Strömung von Kühlmittel durch den RESS-Kühler 115 und den Ausgang der elektrischen Heizung 112 im Wesentlichen unverändert bleiben.
-
Wenn das bei Schritt 509 rückgeführte Ergebnis einen zweiten Zustand 512 angibt, bei dem die Wärmepumpenleistungsfähigkeit nicht angemessen ist, signalisiert bei Schritt 514 der Controller 123 eine Zunahme der Kühlmittelströmung durch den RESS-Kühler 115, bis die Wärmepumpenleistungsfähigkeit angemessen ist oder die Kühlmittelströmung durch den RESS-Kühler 115 ein vorbestimmtes Maximum erreicht.
-
Bei Schritt 515 schaltet, wenn die Kühlmittelströmung durch den RESS-Kühler 115 das vorbestimmte Maximum erreicht und das Ergebnis der Wärmepumpenleistungsfähigkeit bei einem aus unangemessener Leistungsfähigkeit 512 bleibt, der Controller 123 die elektrische Heizung 112 ein und betreibt diese, um zusätzliche Wärme für die Luft bereitzustellen, die durch den Kabinenverdampfer 113 konditioniert und an die Kabine 122 übertragen ist. Wenn die elektrische Heizung 112 ein vorbestimmtes Maximum erreicht und das Ergebnis der Wärmepumpenleistungsfähigkeit weiterhin einen zweiten Zustand 512 angibt, bei dem die Wärmepumpenleistungsfähigkeit nicht angemessen ist, kann der Controller 123 die Batterieheizung 109 einschalten und betreiben.
-
Wenn das bei Schritt 509 rückgeführte Ergebnis einen dritten Zustand 513 angibt, bei dem die Wärmepumpenleistung übermäßig ist, reduziert bei Schritt 516 der Controller 123 den Ausgang der elektrischen Heizung 112.
-
Bei Schritt 517 reduziert, wenn das Ergebnis der Wärmepumpenleistungsfähigkeit weiterhin einen dritten Zustand 513 angibt, bei dem die Wärmepumpenleistungsfähigkeit übermäßig ist, wenn der Ausgang der elektrischen Heizung 112 vollständig auf Null reduziert worden ist, der Controller 123 die Strömung von Kühlmittel durch den RESS-Kühler 115.
-
Bei Schritt 518 signalisiert, wenn das Ergebnis der Wärmepumpenleistungsfähigkeit eines aus übermäßiger Leistungsfähigkeit 513 bleibt, wenn der Ausgang der elektrischen Heizung 512 vollständig auf Null reduziert worden ist und die Strömung von Kühlmittel durch den RESS-Kühler 115 auf ein vorbestimmtes Minimum reduziert ist, der Controller 123 dem ersten Steuerventil 120, eine dritte Position zu besetzen (in den 7 und 8 gezeigt), wobei Kältemittel an jeden von dem ersten Wärmetauscher 103 und dem zweiten Wärmetauscher 111a, 111c gleichzeitig gelenkt wird, wodurch ein Betrieb des Dampfkompressionssystems 100, 200 in einem vierten Modus (in den 7 und 8 gezeigt) zugelassen wird, bei dem die tatsächliche Heizanforderung der Kabine 122 kleiner als die erforderliche Kondensatorwärmeabweisung ist. Ein Betrieb in dem vierten Modus erlaubt, dass das System 100, 200 ein gleichzeitiges Heizen und Kühlen der Kabine 122 unterstützt. Ein Betrieb in dem vierten Modus kann verwendet werden, wenn Kühlen und Entfeuchten wie auch Heizen und Wiederaufheizen beide gleichzeitig gefordert sind. Zusätzlich sieht ein Betrieb in dem vierten Modus zusätzliche Kondensatorkapazität über den ersten Wärmetauscher 103 und den zweiten Wärmetauscher 111a, 111c in dem Fall vor, dass die Heizanforderungen der Kabine 122 kleiner als die kombinierten Lasten der Kühlanforderungen in der Kabine 122, die Kühlanforderungen des RESS 110 und die Anforderungen des Kompressors 102 sind. In einem solchen Fall wäre die zusätzliche Kondensationskapazität in dem ersten Wärmetauscher 103 und dem zweiten Wärmetauscher 111a, 111c erforderlich, um ein richtiges Energiegleichgewicht zu erreichen.
-
Bei Schritt 519 stellt, wenn das Ergebnis der Wärmepumpenleistung weiterhin einen dritten Zustand 513 angibt, bei dem die Wärmepumpenleistung übermäßig ist, wenn das Dampfkompressionssystem 100, 200 in dem vierten Modus arbeitet (wie in den 7 und 8 gezeigt ist), der Controller 123 eine Luftmischtüre 125 ein, um die Luftmenge zu reduzieren, die über jeden von dem dritten Wärmetauscher 118 und der elektrischen Heizung 112 und in die Kabine 122 strömen kann.
-
Bezug nehmend auf 14 ist die dritte Steueraktion 307 detailliert dargestellt. Die Ausführung der dritten Steueraktion 307 erlaubt einen Betrieb des Systems in dem dritten Modus (in den 5 und 6 gezeigt), um eine Kabinenerwärmung ohne Entfeuchtung zu bewirken und einen Systemwirkungsgrad und eine Wärmepumpenleistungsfähigkeit zu optimieren.
-
Bei Schritt 601 signalisiert der Controller 123 dem ersten Strömungssteuerventil 120, eine zweite Position (in den 5 und 6 gezeigt) zu besetzen, um die Strömung des gesamten Kältemittels in dem Dampfkompressionssystem 100, 200 durch einen zweiten Wärmetauscher 111a, 111c zu führen und ein Strömen des Kältemittels durch den ersten Wärmetauscher 103 zu verhindern und Wärme an die Umgebung zu dissipieren.
-
Bei Schritt 602 signalisiert der Controller 123 dem zweiten Strömungssteuerventil 106, die geschlossene Position zu besetzen. Das Beibehalten des zweiten Strömungssteuerventils 106 in der geschlossenen Position treibt das gesamte Kältemittel, das durch den zweiten Wärmetauscher 111a, 111c strömt, dazu, zu dem RESS-Kühler 115 über die erste Expansionsvorrichtung 108 geführt zu werden. Das Beibehalten des zweiten Strömungssteuerventils 106 in der geschlossenen Position verhindert eine Strömung von Kältemittel zu dem Kabinenverdampfer 113 über das zweite Steuerventil 106 und die zweite Expansionsvorrichtung 107.
-
Bei Schritt 603 signalisiert der Controller 123 den Betrieb des Kompressors 102, um das Kältemittel durch das Dampfkompressionssystem 100, 200 zu zirkulieren, wobei der Kompressor bei einer vorbestimmten Drehzahl arbeitet, die mit der Strömung durch den zweiten Wärmetauscher 111a, 111c in Ausgleich steht.
-
Bei Schritt 604 bewertet der Controller 123 den tatsächlichen Entladedruck des Kompressors 102 unter Verwendung von Ablesungen von zumindest einem oberseitigen Drucksensor 117, der stromabwärts von dem Kompressorauslass 127 angeordnet ist.
-
Bei Schritt 605 ermittelt der Controller 123 einen Zielentladedruck, um eine gewünschte vorbestimmte Kältemitteltemperatur zu erzielen.
-
Bei Schritt 606 vergleicht der Controller 123 den tatsächlichen Entladedruck, der bei Schritt 604 bewertet ist, und den Zielentladedruck, der bei Schritt 605 berechnet ist.
-
Wenn der tatsächliche Entladedruck größer als der Zielentladedruck ist, führt der Controller 123 die Schritte 607 und 608 durch. Wenn der tatsächliche Entladedruck kleiner als der Zielentladedruck ist, führt der Controller 123 die Schritte 609 bis 613 aus.
-
Wenn der tatsächliche Entladedruck größer als der Zielentladedruck ist, führt der Controller den Schritt 607 aus. Bei Schritt 607 erhöht der Controller 123, wie in dem in 5 gezeigten System gezeigt ist, den Luftdurchfluss durch den zweiten Wärmetauscher 111a, bis der Luftdurchfluss durch den zweiten Wärmetauscher 111a ein vorbestimmtes Maximum erreicht. Bei Schritt 607 erhöht der Controller 123 in dem in 6 gezeigten System die Strömung von Kühlmittel durch den zweiten Wärmetauscher 111c, bis der Durchfluss durch den zweiten Wärmetauscher 111c ein vorbestimmtes Maximum erreicht oder der Zielentladedruck erreicht ist.
-
Wenn der tatsächliche Entladedruck größer als der Zielentladedruck bleibt, nachdem die Strömung von Luftströmung bzw. Kühlmittel durch den zweiten Wärmetauscher 111a, 111c das vorbestimmte Maximum erreicht hat, führt der Controller 123 den Schritt 608 aus. Bei Schritt 608 reduziert der Controller 123 die Betriebsdrehzahl des Kompressors 102, bis der Zielentladedruck erreicht ist.
-
Wenn der tatsächliche Entladedruck kleiner als der Zielentladedruck ist, führt der Controller 123 den Schritt 609 aus. Bei Schritt 609 ermittelt der Controller 123, ob der Saugdruck des Kompressoreinlasses 126 größer als oder kleiner als eine vorbestimmte Haltbarkeitsgrenze ist, die der Kompressor 102 aushält. Die vorbestimmte Haltbarkeitsgrenze für den Saugdruck an dem Kompressoreinlass 126 kann im Bereich von etwa 0,05 MPaA bis 0,20 MPaA liegen.
-
Wenn der Saugdruck an dem Kompressoreinlass 126 kleiner als die vorbestimmte Haltbarkeitsgrenze des Kompressors 102 ist, führt der Controller 123 die Schritte 610 bis 611 aus. Wenn der Saugdruck größer als die vorbestimmte Haltbarkeitsgrenze des Kompressors 102 ist, führt der Controller 123 die Schritte 612 bis 613 aus.
-
Wenn der Saugdruck kleiner als die vorbestimmte Haltbarkeitsgrenze des Kompressors 102 ist, führt der Controller 123 den Schritt 610 aus. Bei Schritt 610 reduziert der Controller 123 die Drehzahl des Kompressors 102, bis die Kompressordrehzahl ein vorbestimmtes Minimum erreicht.
-
Wenn der Saugdruck kleiner als die vorbestimmte Haltbarkeitsgrenze des Kompressors 102 bleibt, nachdem die Drehzahl des Kompressors 102 auf den vorbestimmten minimalen Wert reduziert ist, führt der Controller den Schritt 611 aus. Bei Schritt 611 erhöht der Controller 123 die Strömung von Kühlmittel durch den RESS-Kühler 115, während der bei Schritt 605 berechnete Zielentladedruck beibehalten wird.
-
Wenn der Saugdruck größer als die vorbestimmte Haltbarkeitsgrenze des Kompressors 102 ist, führt der Controller 123 den Schritt 612 aus. Bei Schritt 612 erhöht der Controller 123 die Drehzahl des Kompressors 102, um den tatsächlichen Entladedruck auf den Zielentladedruck, der bei Schritt 605 berechnet ist, anzuheben, bis die Drehzahl des Kompressors 102 eine vorbestimmte maximale Drehzahl erreicht.
-
Wenn der Saugdruck größer als die vorbestimmte Haltbarkeitsgrenze des Kompressors 102 bleibt, nachdem die Drehzahl des Kompressors 102 auf den vorbestimmten maximalen Wert erhöht ist, führt der Controller 123 den Schritt 613 aus. Bei Schritt 613 verringert der Controller 123 die Strömung von Kältemittel durch den zweiten Wärmetauscher 111a, 111c, während der bei Schritt 605 berechnete Zielentladedruck beibehalten wird. Wenn die Strömung von Kühlmittel einen vorbestimmten maximalen Wert erreicht und jeder von dem tatsächlichen Entladedruck und dem Kompressorsaugdruck größer als der vorbestimmte Zielentladedruck bzw. die vorbestimmte Kompressorhaltbarkeitsgrenze bleibt, kann der Controller 123 eine Batterieheizung 109 einschalten und betreiben, um die Systemverdampferlast anzuheben und dadurch den tatsächlichen Entladedruck zu erhöhen, um den Zielentladedruck zu erreichen.
-
Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Erfindung, jedoch ist der Schutzumfang der Erfindung ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Moden und andere Ausführungsformen zur Ausführung der beanspruchten Erfindung detailliert beschrieben worden sind, sind verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung, wie in den angefügten Ansprüchen definiert ist, vorhanden.
