DE102014100215A1

DE102014100215A1 - Verfahren zum steuern eines wärmepumpensystems mit thermischer speicherung

Info

Publication number: DE102014100215A1
Application number: DE102014100215.6A
Authority: DE
Inventors: Paul S. Lombardo; Lawrence P. Ziehr; Brian P. Lemon
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2034-01-11
Also published as: DE102014100215B4; US20140196485A1; CN103925734B; US9618242B2; CN103925734A

Abstract

Ein Wärmepumpensystem mit thermischer Speicherung überträgt Wärme an einen Fahrgastraum eines Fahrzeugs von zumindest einem aus einer Vorrichtung für thermische Speicherung und Umgebungsluft. Wärme von der Vorrichtung für thermische Speicherung wird von einem ersten Kühlmittel, das hindurchströmt, absorbiert und an ein Kältemittel über einen ersten Wärmetauscher übertragen. Die Wärme wird dann von dem Kältemittel an ein zweites Kühlmittel über einen zweiten Wärmetauscher übertragen und dann von dem zweiten Kühlmittel auf Luft übertragen, die in den Fahrgastraum über einen Heizerkern strömt. Wärme aus Umgebungsluft wird von dem Kältemittel über einen dritten Wärmetauscher absorbiert. Die Wärmequelle wird durch zumindest eines aus der Temperatur der Vorrichtung für thermische Speicherung, der Temperatur der Umgebungsluft und der Feuchte der Umgebungsluft ermittelt. Beim Start des Fahrzeugs wird eine Wärmeübertragung an das Kältemittel und an das zweite Kühlmittel auf Grundlage einer Messung eines ansaugseitigen und austragsseitigen Drucks des Kältemittels gesteuert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Wärmepumpensystem mit thermischer Speicherung zum Heizen eines Fahrgastraums eines Fahrzeugs, wie eines Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEV) oder eines Steckdosen- bzw. Plug-in-Hybridelektrofahrzeugs (PHEV).
HINTERGRUND
Ein Elektrofahrzeug, wie ein Hybridelektrofahrzeug (HEV), ein Steckdosen- bzw. Plug-In-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) oder dergleichen weist allgemein einen Elektromotor auf, der das Fahrzeug allein in einem Elektrofahrzeug-(EV)- oder ladungsabreichernden Fahrmodus antreiben kann. Das Fahrzeug kann auch eine Brennkraftmaschine (ICE) aufweisen, die als das primäre Antriebssystem des Fahrzeugs in einem reichweitenverlängernden Modus dient oder in Verbindung mit dem Elektromotor in einem hybrid- oder ladungserhaltenden Modus arbeitet.
Der Elektromotor empfängt allgemein elektrische Leistung von einer elektrischen Leistungsquelle, wie einem Energiespeichersystem (ESS). Das ESS kann eine Batteriepackung oder ein anderes wiederaufladbares Energiespeichermittel aufweisen, das in der Lage ist, große Mengen an thermischer Energie zu speichern. Das ESS kann die thermische Energie speichern, wenn das Fahrzeug mit einer externen Leistungsquelle, wie einem elektrischen Stromnetz, zum Laden verbunden ist. Bei kälteren Umgebungstemperaturen reichert die Ladung des ESS aufgrund verschiedener Faktoren schneller ab.
Das ESS kann in Verbindung mit einem System zum thermischen Management verwendet werden, wie einem Wärmepumpensystem, um die gespeicherte thermische Energie an ein anderes Medium für andere Zwecke zu übertragen, wie zum Erwärmen eines Fahrgastraums des Fahrzeugs.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist ein Wärmepumpensystem mit thermischer Speicherung in einem Fahrzeug, das einen Fahrgastraum aufweist, vorgesehen. Das Wärmepumpensystem mit thermischer Speicherung weist einen ersten Kühlmittelkreislauf, einen zweiten Kühlmittelkreislauf und einen Kältemittelkreislauf in thermischer Kommunikation mit dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Kühlmittelkreislauf über einen ersten Wärmetauscher bzw. einen zweiten Wärmetauscher auf. Der erste Kühlmittelkreislauf weist eine erste Kühlmittelpumpe auf, die derart konfiguriert ist, ein erstes Kühlmittel durch den ersten Kühlmittelkreislauf zu zirkulieren, so dass Wärme von dem ersten Kühlmittel auf das Kältemittel übertragen werden kann. Der zweite Kühlmittelkreislauf weist eine zweite Kühlmittelpumpe auf, die derart konfiguriert ist, ein zweites Kühlmittel durch den zweiten Kühlmittelkreislauf zu zirkulieren, so dass Wärme von dem Kältemittel auf das zweite Kühlmittel übertragen werden kann.
Das Wärmepumpensystem mit thermischer Speicherung weist auch eine Vorrichtung für thermische Speicherung, einen Heizerkern, einen Kompressor, einen dritten Wärmetauscher sowie eine Mehrzahl von Strömungssteuerventilen auf. Die Vorrichtung für thermische Speicherung ist in dem ersten Kühlmittelkreislauf angeordnet und derart konfiguriert, thermische Energie zu speichern. Der Heizerkern ist in dem zweiten Kühlmittelkreislauf angeordnet und derart konfiguriert, Wärme von dem zweiten Kühlmittel auf über den Heizerkern strömende Luft zu übertragen, um den Fahrgastraum des Fahrzeugs zu erwärmen. Der Kompressor ist in dem Kältekreislauf platziert und weist einen Einlass und einen Auslass auf. Der Kompressor ist derart konfiguriert, das Kältemittel von einem ansaugseitigen Druck (von engl.: ”low side pressure”) an dem Einlass zu einem austragsseitigen Druck (von engl.: ”high side pressure”) an dem Auslass zu komprimieren. Der dritte Wärmetauscher ist ebenfalls in dem Kältekreislauf platziert und derart konfiguriert, Wärme von Umgebungsluft auf das Kältemittel zu übertragen. Die Strömungssteuerventile sind in dem Kältekreislauf platziert und derart konfiguriert, die Strömung von Kältemittel in dem Kältekreislauf zu steuern.
Das Wärmepumpensystem mit thermischer Speicherung umfasst ferner zumindest einen Controller. Der zumindest eine Controller ist derart konfiguriert, den Betrieb von zumindest der ersten Kühlmittelpumpe, der zweiten Kühlmittelpumpe, des Kompressors, des Heizers und der Mehrzahl von Strömungssteuerventilen auf Grundlage von zumindest einem Parameter zu steuern. Der zumindest eine Parameter kann zumindest einer des ansaugseitigen Drucks des Kältemittels, des austragsseitigen Drucks des Kältemittels, der Solltemperatur des Fahrgastraumes, der Temperatur der Vorrichtung für thermische Speicherung, der Temperatur der Umgebungsluft und der Feuchte der Umgebungsluft sein.
Das Wärmepumpensystem mit thermischer Speicherung kann ferner einen ersten Temperatursensor, einen zweiten Temperatursensor, einen Feuchtesensor, einen Sensor für ansaugseitigen Druck, einen Sensor für austragsseitigen Druck und ein Eingangsmodul aufweisen. Der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor können derart konfiguriert sein, die Temperatur der Vorrichtung für thermische Speicherung bzw. der Umgebungsluft zu messen. Der Feuchtesensor kann derart konfiguriert sein, die Feuchte der Umgebungsluft zu messen. Der Sensor für ansaugseitigen Druck und der Sensor für austragsseitigen Druck können derart konfiguriert sein, den ansaugseitigen Druck bzw. den austragsseitigen Druck des Kältemittels zu messen. Das Eingangsmodul kann derart konfiguriert sein, einen Eingang der Solltemperatur des Fahrgastraumes aufzunehmen. Jede Vorrichtung kann ferner derart konfiguriert sein, Daten an den zumindest einen Controller zu übertragen.
Es ist auch ein Verfahren zum Steuern des Wärmepumpensystems mit thermischer Speicherung, das oben beschrieben ist, während des Starts des Fahrzeugs vorgesehen. Das Verfahren umfasst zunächst ein Empfangen einer Messung eines ansaugseitigen Drucks und einer Messung eines austragsseitigen Drucks des Kältemittels an dem Einlass bzw. Auslass des Kompressors. Wie oben erläutert ist, können die Messungen des ansaugseitigen und des austragsseitigen Drucks genommen und durch den Sensor für ansaugseitigen Druck bzw. den Sensor für austragsseitigen Druck an den zumindest einen Controller übertragen werden.
Das Verfahren umfasst dann ein Vergleichen der Messung des ansaugseitigen Drucks mit einem Minimalwert des ansaugseitigen Drucks und der Messung des austragsseitigen Drucks mit einem Maximalwert des austragsseitigen Drucks, um zumindest eine Bedingung zu erhalten, und ein entsprechendes Betreiben von zumindest einem aus dem Kompressor, der ersten Kühlmittelpumpe und der zweiten Kühlmittelpumpe. Der Minimalwert des austragsseitigen Drucks und der Maximalwert des austragsseitigen Drucks werden in dem zumindest einen Controller gespeichert.
Wenn die zumindest eine Bedingung darin besteht, dass die Messung des ansaugseitigen Drucks unterhalb des Minimalwerts des ansaugseitigen Drucks liegt, dann kann der zumindest eine Controller die erste Kühlmittelpumpe auf eine maximale Drehzahl und den Kompressor auf eine minimale Drehzahl setzen.
Wenn die zumindest eine Bedingung diejenige ist, dass die Messung des ansaugseitigen Drucks über dem Minimalwert des ansaugseitigen Drucks liegt und die Messung des austragsseitigen Drucks unter dem Maximalwert des austragsseitigen Drucks liegt, dann kann der zumindest eine Controller die erste Kühlmittelpumpe bei der maximalen Drehzahl halten, die Drehzahl des Kompressors auf eine maximale Drehzahl erhöhen und die zweite Kühlmittelpumpe auf eine minimale Drehzahl setzen. Der Controller kann die Drehzahl der zweiten Kühlmittelpumpe gemäß dem von dem Eingangsmodul empfangenen Eingang der Solltemperatur des Fahrgastraumes erhöhen.
Ein Verfahren zum Steuern des Wärmepumpensystems mit thermischer Speicherung, das oben beschrieben ist, wenn es in einem stabilen Zustand ist, ist ferner vorgesehen. Das Verfahren umfasst zunächst ein Empfangen von zumindest einer Messung eines Parameters. Der Parameter kann zumindest eine der Temperatur der Vorrichtung für thermische Speicherung, der Temperatur der Umgebungsluft und der Feuchte der Umgebungsluft sein. Das Verfahren umfasst dann ein Ermitteln einer Wärmequelle, von der das zweite Kühlmittel Wärme zur Übertragung an den Fahrgastraum über den Heizerkern aufnimmt, auf Grundlage der zumindest einen Messung und einen entsprechenden Betrieb des Wärmepumpensystems mit thermischer Speicherung, um Wärme von dieser Wärmequelle zu ziehen. Die Wärmequelle ist zumindest eines aus der Vorrichtung für thermische Speicherung und Umgebungsluft über den dritten Wärmetauscher, wie oben erläutert ist.
Wie oben erläutert ist, können die Messung der Temperatur der Vorrichtung für thermische Speicherung, die Messung der Temperatur der Umgebungsluft und die Messung der Feuchte der Umgebungsluft genommen und durch einen ersten Temperatursensor, einen zweiten Temperatursensor bzw. einen Feuchtesensor an den zumindest einen Controller übertragen 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, die in den angefügten Ansprüchen definiert ist, in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm eines Wärmepumpensystems mit thermischer Speicherung eines Fahrzeugs;
2 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des Wärmepumpensystems mit thermischer Speicherung von 1 während eines Starts des Fahrzeugs;
3 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des Wärmepumpensystems mit thermischer Speicherung von 1, wenn sich das System in einem stabilen Zustand befindet; und
4 ist ein schematisches Flussdiagramm, das einen Schritt des Verfahrens von 3 zeigt.
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 Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten, wo immer möglich, in den verschiedenen Figuren entsprechen, ist ein Wärmepumpensystem 100 mit thermischer Speicherung zur Verwendung in einem Fahrzeug 101, das ein Hybridelektrofahrzeug (HEV), ein Plug-In-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) oder dergleichen aufweist, jedoch nicht darauf beschränkt ist, in 1 gezeigt. Das Fahrzeug 101 weist im allgemeinen einen inaktiven Ladezustand, in dem eine Vorrichtung 108 für thermische Speicherung, wie nachfolgend beschrieben, geladen wird, und eine aktiven Fahrzustand auf. In dem aktiven Fahrzustand kann das Fahrzeug 101 selektiv in einem Reichweitenverlängerungsmodus, einem hybrid- oder ladungserhaltenden Modus und einem Elektrofahrzeug-(EV)- oder ladungsabreichernden Fahrmodus betrieben werden. In einem die Reichweite verlängernden Modus arbeitet eine Brennkraftmaschine (ICE) 127, wie nachfolgend beschrieben ist, als das ausschließliche Antriebssystem für das Fahrzeug 101. In einem Hybridmodus arbeitet das Fahrzeug 101 unter Verwendung von sowohl elektrischer Leistung von einem Elektromotor (nicht gezeigt) als auch Leistung von der Brennkraftmaschine 127. In dem EV-Fahrmodus arbeitet das Fahrzeug 101 ausschließlich mit Elektrizität.
Das Wärmepumpensystem 100 mit thermischer Speicherung umfasst allgemein einen ersten Kühlmittelkreislauf 103, einen zweiten Kühlmittel 104 und einen Kältekreislauf 105, die derart konfiguriert sind, ein erstes Kühlmittel, ein zweites Kühlmittel bzw. ein Kältemittel zu zirkulieren. Der Kältekreislauf 105 steht in thermischer Kommunikation mit dem ersten Kühlmittelkreislauf 103 und dem zweiten Kühlmittelkreislauf 104 über einen ersten Wärmetauscher 106 bzw. einen zweiten Wärmetauscher 107. Der erste Wärmetauscher 106 kann ein Kühlerwärmetauscher von Kältemittel auf Flüssigkeit sein, der als ein Wärmepumpenverdampfer funktionieren kann, um Wärme von dem ersten Kühlmittel in dem ersten Kühlmittelkreislauf 103 auf das Kältemittel in dem Kältekreislauf 105 zu dissipieren. Der zweite Wärmetauscher 107 kann ebenfalls ein Wärmetauscher von Kältemittel auf Flüssigkeit sein, der als ein Wärmepumpenkondensator funktionieren kann, um Wärme von dem Kältemittel in dem Kältekreislauf 105 auf das zweite Kühlmittel in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 104 zu dissipieren.
Der erste Kühlmittelkreislauf 103 weist ein Vorrichtung 108 für thermische Speicherung, eine erste Kühlmittelpumpe 110 und einen Heizer 111 auf. Die Vorrichtung 108 für thermische Speicherung kann ein beliebiges Medium, eine beliebige Vorrichtung, eine beliebige Maschine oder dergleichen sein, die in der Lage ist, thermische Energie zu erzeugen und zu speichern. Beispielsweise kann die Vorrichtung 108 für thermische Speicherung ein Energiespeichersystem (ESS) sein, das zumindest eine Batterie oder eine Batteriepackung aufweist. Die Vorrichtung 108 für thermische Speicherung kann einen ersten Temperatursensor 109 aufweisen, der derart konfiguriert ist, die Temperatur der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung zu messen, um eine Messung der Temperatur der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung zu erhalten. Der erste Temperatursensor 109 kann ferner konfiguriert sein, um die Messung der Temperatur der Vorrichtung für thermische Speicherung an einen Controller 130, wie nachfolgend beschrieben, zu übertragen.
Der Heizer 111 kann derart konfiguriert sein, das erste Kühlmittel in dem ersten Kühlmittelkreislauf 103 zu erhitzen, das an die Vorrichtung 108 für thermische Speicherung strömt, wo die Wärme abgelagert und gespeichert werden kann. Der Heizer 111 kann, ist jedoch nicht darauf beschränkt, eine Widerstandsheizeinrichtung sein.
Die erste Kühlmittelpumpe 110 kann derart konfiguriert sein, das erste Kühlmittel durch den Heizer 111 und die Vorrichtung 108 für thermische Speicherung zu zirkulieren, so dass das erste Kühlmittel Wärme, die von der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung erzeugt wird, absorbieren oder Wärme in der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung ablagern kann. Die erste Kühlmittelpumpe 110 kann ferner derart konfiguriert sein, das erste Kühlmittel durch den ersten Wärmetauscher 106 zu zirkulieren, so dass Wärme von dem ersten Kühlmittel auf das Kältemittel übertragen werden kann, wie oben erläutert ist. Die erste Kühlmittelpumpe 110 kann eine variable Drehzahl aufweisen. Während die erste Kühlmittelpumpe 110 stromabwärts der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung gezeigt ist, sei angemerkt, dass sie stromaufwärts der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung angeordnet sein kann.
Der Kältekreislauf 105 weist einen Kompressor 112 auf, der einen Einlass 113 und einen Auslass 114 besitzt. Der Kompressor 112 ist stromabwärts des ersten Wärmetauschers 106 und stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 107 angeordnet. Der Kompressor 112 kann derart konfiguriert sein, das Kältemittel von einem ansaugseitigen Druck an dem Einlass 113 zu einem austragsseitigen Druck an dem Auslass 114 des Kompressors 112 zu komprimieren.
Der Kältekreislauf 105 kann auch einen Sensor 115 für ansaugseitigen Druck und einen Sensor 116 für austragsseitigen Druck aufweisen, die an dem Einlass 113 bzw. dem Auslass 114 des Kompressors 112 angeordnet sind. Der Sensor 115 für ansaugseitigen Druck kann derart konfiguriert sein, den Druck des Kältemittels vor einem Eintritt in den Kompressor 112 zu messen, und der Sensor 116 für austragsseitigen Druck kann derart konfiguriert sein, den Druck des Kältemittels nach Verlassen des Kompressors 112 zu messen. Der Sensor 115 für ansaugseitigen Druck und der Sensor 116 für austragsseitigen Druck können ferner derart konfiguriert sein, die Druckmessungen an den Controller 130 zu übertragen.
Der Kältekreislauf 105 weist auch eine erste Vorrichtung 117 für thermische Expansion, eine zweite Vorrichtung 118 für thermische Expansion sowie einen dritten Wärmetauscher 119 auf. Der dritte Wärmetauscher 119 kann ein Wärmetauscher von Umgebung auf Kältemittel sein, der als ein Kabinenverdampfer funktionieren kann. Er kann derart konfiguriert sein, um Wärme von der über ihn strömenden Luft aufzunehmen, um den Fahrgastraum 102 zu kühlen und zu entfeuchten und um die Wärme zu dem hindurch strömenden Kältemittel zu übertragen. Das Kältemittel kann dann zu dem Kompressor 112 und anschließend zu dem zweiten Wärmetauscher 107 verteilt werden, wo die Wärme in dem Kältemittel durch das zweite Kühlmittel absorbiert werden kann, wie oben erläutert ist.
Die erste Vorrichtung 117 für thermische Expansion und die zweite Vorrichtung 118 für thermische Expansion können stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 107 angeordnet sein und derart konfiguriert sein, dass Kältemittel zur Verteilung an den ersten Wärmetauscher 106 bzw. den dritten Wärmetauscher 119 zu kühlen und zu expandieren. Die erste Vorrichtung 117 für thermische Expansion und die zweite Vorrichtung 118 für thermische Expansion können thermostatische Ventile oder Ventile für thermische Expansion sein und können entweder elektronisch oder mechanisch betätigt sein.
Der Kältekreislauf 105 kann auch einen vierten Wärmetauscher 120 aufweisen. Der vierte Wärmetauscher 120 kann ein Wärmetauscher von Kältemittel auf Umgebung sein und kann als ein Kondensator für ein Klimaanlagen-(A/C)-System (nicht gezeigt) des Fahrzeugs 101 funktionieren.
Der Kältekreislauf 105 kann ferner eine Mehrzahl von Strömungssteuerventilen 121, 122, 123 und 124 aufweisen. Die Strömungssteuerventile 121, 122, 123 und 124 können derart konfiguriert sein, die Strömung an die verschiedenen Komponenten in dem Kältekreislauf 105 zu steuern. Es sei anzumerken, dass die Strömungssteuerventile 121, 122, 123 und 124 ein beliebiges Ventil sein können, das ein der Lage ist, die Strömung von Kältemittel in einer bestimmten Leitung zu beschränken, und können offene/geschlossene Ventile mit zwei Positionen oder alternativ modulierende Ventile sein.
Der zweite Kühlmittelkreislauf 104 umfasst einen Heizerkern 125 und eine zweite Kühlmittelpumpe 126. Die zweite Kühlmittelpumpe 126, die eine variable Drehzahl aufweisen kann, kann derart konfiguriert sein, das zweite Kühlmittel durch den Heizerkern 125 zu zirkulieren. Der Heizerkern 125 kann seinerseits so konfiguriert sein, das zweite Kühlmittel aufzunehmen, um Luft, die über diesen und in den Fahrgastraum 102 strömt, zu heizen. Wie oben erläutert ist, kann das zweite Kühlmittel Wärme aus der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung über den ersten Wärmetauscher 106 und/oder von der Umgebungsluft über den dritten Wärmetauscher 119 aufnehmen. Während die zweite Kühlmittelpumpe 126 stromabwärts des Heizerkerns 125 gezeigt ist, sollte klar sein, dass sie stromaufwärts des Heizerkerns 125 angeordnet werden kann.
Der zweite Kühlmittelkreislauf 104 kann auch die Brennkraftmaschine 127 aufweisen, wie oben erwähnt ist. Die Brennkraftmaschine 127 kann Wärme in sich aus einem Betrieb aufweisen. Die Wärme kann im zweiten Kühlmittel vorliegen, wenn es durch den ICE 127 strömt, wodurch die Brennkraftmaschine 127 gekühlt wird.
Der zweite Kühlmittelkreislauf 104 kann ferner ein Bypassventil 128 und eine Bypassleitung 129 aufweisen. Das Bypassventil 128 ist derart konfiguriert, das zweite Kühlmittel selektiv an die Brennkraftmaschine 127 zu lenken, um diese zu kühlen, wenn sich das Fahrzeug 101 in einem die Reichweite verlängernden Modus oder Hybridmodus befindet, oder an die Bypassleitung 129 zu lenken, wenn sich das Fahrzeug 101 in dem EV-Fahrmodus befindet. Während das Bypassventil 128 in 1 als ein Dreiwegeventil mit zwei Positionen gezeigt ist, sei angemerkt, dass das Bypassventil 128 ein beliebiges Dreiwegeventil sein kann, das derart konfiguriert ist, die Strömung selektiv an die Brennkraftmaschine 127 und/oder die Bypassleitung 129 zu lenken. Bei einer alternativen Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, können anstatt eines Dreiwegeventils zwei separate Strömungssteuerventile, eines jeweils an der Bypassleitung 129 und dem zweiten Kühlmittelkreislauf 104 stromabwärts der Entnahme für die Bypassleitung 129 vorgesehen sein.
Das Wärmepumpensystem 100 mit thermischer Speicherung kann auch zumindest einen Controller 130 aufweisen, um den Betrieb des Wärmepumpensystems 100 mit thermischer Speicherung zu steuern. Insbesondere kann der Controller 130 den Betrieb der verschiedenen Vorrichtungen des Wärmepumpensystems 100 mit thermischer Speicherung basierend auf bestimmten Parametern steuern, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Feuchtigkeit, Umgebungslufttemperatur, Temperatur der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung, ansaugseitigen und austragsseitigen Druck des Kältemittels, Soll-Temperatur des Fahrgastraumes 102 und dergleichen, wie in den 2–4 dargestellt und in den Verfahren 200 und 300 nachfolgend beschrieben ist.
Der Controller 130 kann elektrisch mit dem Wärmepumpensystem 100 mit thermischer Speicherung über zumindest eine elektrische Verbindung verbunden sein. Der Controller 130 kann derart konfiguriert sein, mit verschiedenen Vorrichtungen zu kommunizieren, einschließlich dem Heizer 111, der ersten Kühlmittelpumpe 110, der zweiten Kühlmittelpumpe 126, dem Kompressor 112, der ersten und zweiten Vorrichtung 117 und 118 für thermische Expansion sowie den Strömungssteuerventilen 121, 122, 123 und 124. Der Controller 130 kann auch derart konfiguriert sein, mit anderen Zusatzvorrichtungen zu kommunizieren und Information von diesen aufzunehmen, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, den Sensoren 115 und 116 für ansaugseitigen Druck und austragsseitigen Druck, wie oben beschrieben ist, den ersten Temperatursensor 109, der ebenfalls oben beschrieben ist, einen zweiten Temperatursensor 131, einen Feuchtesensor 132 und ein Eingabemodul 133, wie nachfolgend beschrieben ist. Der Controller 130 kann die von diesen Zusatzvorrichtungen empfangene Information verarbeiten, um zu ermitteln, welche der Vorrichtungen des Wärmepumpensystems 100 mit thermischer Speicherung arbeiten sollte und bei welcher Drehzahl oder Position bei einer gegebenen bestimmten Bedingung, und diese Vorrichtungen entsprechend steuern. Der Controller 130 kann ferner derart konfiguriert sein, irgendwelche anderen Vorrichtungen in dem Wärmepumpensystem 100 mit thermischer Speicherung wie auch beliebige andere Subsysteme in dem Fahrzeug 101 zu steuern.
Der zweite Temperatursensor 131 ist allgemein eine beliebige Vorrichtung, die derart konfiguriert ist, die Temperatur der Umgebungsluft zu messen. Gleichermaßen ist der Feuchtesensor 132 eine beliebige Vorrichtung, die derart konfiguriert ist, die Feuchte der Umgebungsluft zu messen. Der zweite Temperatursensor 131 und der Feuchtesensor 132 können ferner derart konfiguriert sein, Daten, wie die Umgebungslufttemperaturmessung bzw. die Feuchtemessung, an den Controller 130 zur Speicherung und/oder Verarbeitung zu übertragen. Der zweite Temperatursensor 131 und der Feuchtesensor 132 können sich außerhalb des Controllers 130 befinden, wie in 1 gezeigt ist, und können die Daten durch eine verdrahtete oder drahtlose Verbindung übertragen. Bei einer anderen Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, können der zweite Temperatursensor 131 und der Feuchtesensor 132 innerhalb des Controllers 130 vorgesehen sein. Bei einer noch weiteren Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, kann der Controller 130 derart konfiguriert sein, derartige Daten, wie die Temperatur und Feuchte der Umgebungsluft, von einer entfernten Quelle (nicht gezeigt) über das Internet oder ein anderes Kommunikationsnetzwerk zu erhalten.
Das Eingangsmodul 133 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die derart konfiguriert ist, einen Eingang, wie eine Solltemperatur oder Wärmelieferung für den Fahrgastraum 102, oder andere Daten von einem Nutzer des Wärmepumpensystems 100 mit thermischer Speicherung aufzunehmen. Das Eingangsmodul 133 kann ferner derart konfiguriert sein, solche Daten an den Controller 130 zu übertragen. Das Eingangsmodul 133 kann, ist jedoch nicht darauf beschränkt, ein Mobiltelefon, ein an Bord befindlicher Computer in dem Fahrzeug 101 und dergleichen sein.
Bezug nehmend auf 2 ist ein Verfahren 200 zum Steuern des Wärmepumpensystems 100 mit thermischer Speicherung gezeigt. Insbesondere ist das Verfahren 200 ein Verfahren zum Betrieb der verschiedenen Vorrichtungen des Wärmepumpensystems 100 mit thermischer Speicherung während des Starts des Fahrzeugs 101 und des Wärmepumpensystems 100 mit thermischer Speicherung. Derartige Vorrichtungen können, sind jedoch nicht darauf beschränkt, die erste Kühlmittelpumpe 110, die zweite Kühlmittelpumpe 126 und den Kompressor 112 aufweisen.
Das Verfahren 200 beginnt bei Schritt 201, bei dem der Controller 130 eine Messung des ansaugseitigen Drucks aufnimmt. Wie oben erläutert ist, kann die Messung des ansaugseitigen Drucks genommen und an den Controller 130 durch den Sensor 115 für ansaugseitigen Druck übertragen werden.
Nach Schritt 201 fährt das Verfahren 200 mit Schritt 202 fort. Bei Schritt 202 empfängt der Controller 130 eine Messung des austragsseitigen Drucks. Wie oben erläutert ist, kann die Messung des austragsseitigen Drucks durch den Sensor 116 für austragsseitigen Druck genommen und an den Controller 130 übertragen werden.
Nach Schritt 202 fährt das Verfahren 200 mit Schritt 203 fort. Bei Schritt 203 vergleicht der Controller 130 die Messung des ansaugseitigen Drucks mit einem minimalen Wert des ansaugseitigen Drucks und die Messung des austragsseitigen Drucks mit einem maximalen Wert des austragsseitigen Drucks, um eine Bedingung zu ermitteln, z. B. die Messung des ansaugseitigen Drucks ist kleiner als der Minimalwert des ansaugseitigen Drucks. Bei einer Ausführungsform kann der Minimalwert des ansaugseitigen Drucks 100 kPa betragen, und der Maximalwert des austragsseitigen Drucks kann 1800 kPa betragen. Der Minimalwert des ansaugseitigen Drucks und der Maximalwert des austragsseitigen Drucks können in dem Controller 130 gespeichert sein und können auch einstellbar sein.
Nach Schritt 203 fährt das Verfahren 200 mit Schritt 204 fort. Bei Schritt 204 betreibt der Controller 130 zumindest eines aus der ersten Kühlmittelpumpe 110, der zweiten Kühlmittelpumpe 126 und dem Kompressor 112 auf Grundlage der bei Schritt 203 ermittelten Bedingung. Die Beziehung der verschiedenen Bedingungen und des zugeordneten Betriebs der ersten Kühlmittelpumpe 110, der zweiten Kühlmittelpumpe 125 und des Kompressors 112, wie nachfolgend beschrieben ist, können in dem Controller 130 gespeichert werden, so dass, wenn er die Bedingung empfängt, er die Vorrichtungen entsprechend betreiben kann.
Wenn die Messung des ansaugseitigen Drucks geringer als der Minimalwert des ansaugseitigen Drucks ist, setzt der Controller 130 die erste Kühlmittelpumpe 110 auf einen Betrieb bei einer maximalen Drehzahl und den Kompressor 112 auf den Betrieb bei einer minimalen Drehzahl. Dies kann ermöglichen, dass so viel thermische Energie wie möglich von dem ersten Kühlmittel über die Vorrichtung 108 für thermische Speicherung an das Kältemittel übertragen wird. Dies kann allgemein stattfinden, wenn das Fahrzeug 101 und das Wärmepumpensystem 100 zur thermischen Speichervorrichtung gerade starten.
Wenn die Messung des ansaugseitigen Drucks höher als der Minimalwert des ansaugseitigen Drucks ist und die Messung des austragsseitigen Drucks geringer als der Maximalwert des austragsseitigen Drucks ist, erhöht der Controller 130 die Drehzahl des Kompressors rampenartig auf eine maximale Drehzahl. Der Controller 130 setzt ferner die zweite Kühlmittelpumpe 126 auf einen Betrieb bei einer minimalen Drehzahl. Der Controller 130 behält die erste Kühlmittelpumpe 110 bei der maximalen Drehzahl bei.
Das Verfahren 200 kann ferner ein Empfangen einer Solltemperator oder -wärmemenge für den Fahrgastraum 102 von einem Eingangsmodul 133 aufweisen. Der Controller 130 erhöht dann rampenartig die Drehzahl der zweiten Kühlmittelpumpe 126, so dass die richtige Wärmemenge an das zweite Kühlmittel über den zweiten Wärmetauscher 107 übertragen werden kann, um die gewünschte Wärmemenge an den Fahrgastraum 102 über den Heizerkern 125 zu liefern.
Die Wärmequelle, d. h. von der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung und/oder aus der Umgebungsluft über den dritten Wärmetauscher 119, wird von dem Controller 130 gemäß dem Verfahren 300, wie in 3 gezeigt und nachfolgend beschrieben ist, ermittelt.
Bezug nehmend auf 3 ist ein Verfahren 300 zum Steuern des Wärmepumpensystems 100 mit thermischer Speicherung gezeigt. Insbesondere ist das Verfahren 300 ein Verfahren zum Ermitteln der Wärmequelle zum Erwärmen des Fahrgastraums 102, wenn sich das Fahrzeug in einem aktiven Fahrzustand befindet und sich das Wärmepumpensystem 100 mit thermischer Speicherung in einem stabilen Zustand befindet, und zum entsprechenden Betreiben der verschiedenen Vorrichtungen des Wärmepumpensystems 100 mit thermischer Speicherung. Die Vorrichtungen können, sind jedoch nicht darauf beschränkt, den Heizer 111, die erste Kühlmittelpumpe 110, die zweite Kühlmittelpumpe 126, den Kompressor 112 und die Strömungssteuerventile 121, 122, 123 und 124 aufweisen.
Das Verfahren 300 beginnt bei Schritt 301, bei dem der Controller 130 eine Messung eines Parameters aufnimmt. Wie oben erläutert ist, kann der Parameter zumindest eines aus der Temperatur der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung, der Temperatur der Umgebungsluft und der Feuchte der Umgebungsluft sein. Der Schritt 301 kann die Unterschritte 301a–c aufweisen, wie in 4 gezeigt ist.
Bezug nehmend auf 4 empfängt bei Schritt 301a der Controller 130 eine Temperaturmessung von der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung. Wie oben erläutert ist, kann die Temperatur der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung von dem ersten Temperatursensor 109 gemessen werden, der dann die resultierende Messung der Temperatur der Vorrichtung für thermische Speicherung an den Controller 130 übertragen kann.
Bei Schritt 301b empfängt der Controller 130 eine Messung der Umgebungslufttemperatur. Wie oben erläutert ist, kann die Temperatur der Umgebungsluft von dem zweiten Temperatursensor 131 gemessen werden, der dann die resultierende Messung der Temperatur der Umgebungsluft an den Controller 130 überträgt.
Bei Schritt 301c empfängt der Controller 130 eine Feuchtemessung der Umgebungsluft. Wie oben erläutert ist, kann die Feuchte der Umgebungsluft von dem Feuchtesensor 132 gemessen werden, der dann die resultierende Feuchtemessung an den Controller 130 überträgt.
Es sei angemerkt, dass die Schritte 301a–c in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden können. Es sei ferner angemerkt, dass das Verfahren 300 andere Parameter zusätzlich zu der Temperatur der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung, der Temperatur der Umgebungsluft und der Feuchte der Umgebungsluft aufweisen kann.
Zurück Bezug nehmend auf 3 fährt das Verfahren 300 nach Schritt 301 mit Schritt 302 fort. Bei Schritt 302 betreibt der Controller 130 die Vorrichtungen des Wärmepumpensystems 100 mit thermischer Speicherung auf Grundlage einer Beziehung zwischen zumindest einem aus der Temperatur der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung, der Temperatur der Umgebungsluft und der Umgebungsfeuchte mit dem Betrieb der Vorrichtungen. Die Beziehungen, die nachfolgend beschrieben sind, können in dem Controller 130 gespeichert sein, so dass, wenn er die Messungen der Parameter aufnimmt, er die Vorrichtungen entsprechend betreiben kann.
Allgemein kann bei kälteren Umgebungslufttemperaturen das Wärmepumpensystem 100 mit thermischer Speicherung Wärme, die in der Vorrichtung 108 mit thermischer Speicherung gespeichert ist, anstatt von Wärme verwenden, die von Umgebungsluft über den dritten Wärmetauscher 119 entnommen wird, um den Fahrgastraum 102 zu erwärmen, wie oben erläutert ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Umgebungsluft zu kalt sein kann, um ausreichend Wärme zum Erwärmen des Fahrgastraums 102 bereitzustellen. In einer solchen Situation dienen die erste Kühlmittelpumpe 110, der Kompressor 112 und die zweite Kühlmittelpumpe 126 dazu, um die in der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung gespeicherte Wärme an den Fahrgastraum 102 über den Heizerkern 125 zu übertragen.
Jedoch kann, wenn die Temperatur der Umgebungsluft zunimmt und es immer noch gewünscht ist, den Fahrgastraum 102 zu erwärmen, ausreichend Wärme in der Umgebungsluft vorhanden sein, um den Fahrgastraum 102 zu heizen, so dass der Gebrauch der in der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung gespeicherten Wärme unnötig ist. Zusätzlich kann, wenn die Feuchte der Umgebungsluft ebenfalls zunimmt, ein größerer Bedarf nach einem Austausch von Wärme mit der Umgebungsluft über den dritten Wärmetauscher 119 vorhanden sein, um die Luft zu entfeuchten. In solchen Situationen dienen die Strömungssteuerventile 123 und 124 dazu, die Strömung durch den dritten Wärmetauscher 119 zu lenken, um die Wärme aus der Umgebungsluft zu absorbieren. Der Kompressor 112 und die zweite Kühlmittelpumpe 126 dienen dazu, die Wärme an das zweite Kühlmittel über den zweiten Wärmetauscher 107 und schließlich an den Fahrgastraum 102 über den Heizerkern 125 zu übertragen.
Gleichermaßen ist, wenn die Temperatur der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung zunimmt, mehr Wärme zur Verwendung zum Aufheizen des Fahrgastraums 102 verfügbar. Jedoch kann, wenn die Temperatur der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung abnimmt, es notwendig sein, die Heizung 111 so zu betreiben, dass zusätzliche wärme zur Speicherung in der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung bereitgestellt und anschließend an den Fahrgastraum 102 übertragen wird. Beispielsweise kann dies entstehen, wenn die Temperatur der Vorrichtung für thermische Speicherung 10 Grad C und darunter beträgt. In einigen Situationen, bei denen die Umgebungsluft über einer gewissen Temperatur liegt, braucht trotz der kälteren Temperatur der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung die Heizung nicht betrieben zu werden. Beispielsweise kann dies entstehen, wenn die Temperatur der Vorrichtung für thermische Speicherung 10 Grad C beträgt und die Temperatur der Umgebungsluft 10 Grad C oder darüber ist.
Es können Situationen entstehen, bei denen Wärme von sowohl der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung als auch der Umgebungsluft entnommen wird. Beispielsweise kann dies entstehen, wenn die Temperatur der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung 10 Grad C beträgt, die Temperatur der Umgebungsluft 10 Grad C beträgt und die Feuchte der Umgebungsluft zwischen 50% und 90% liegt.
Die Kombination der Parameter (d. h. Umgebungslufttemperatur, Feuchte der Umgebungsluft und Temperatur der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung) bestimmt, ob das Wärmepumpensystem 100 mit thermischer Speicherung Wärme von der Umgebungsluft, Wärme, die in der Vorrichtung 108 für thermische Speicherung gespeichert ist, oder Wärme von beiden Quellen verwenden kann, um den Fahrgastraum 102 zu heizen. In dem Controller 130 ist gespeichert, von welcher Quelle das Wärmepumpensystem 100 mit thermischer Speicherung Wärme ziehen soll, wenn die Parameter bei bestimmten Bedingungen liegen. Somit kann, wenn der Controller 130 die erste Temperaturmessung, die zweite Temperaturmessung und die Feuchtemessung empfängt, dieser ermitteln, aus welcher Quelle das Wärmepumpensystem 100 mit thermischer Speicherung Wärme ziehen soll, und die Vorrichtungen in dem Wärmepumpensystem 100 mit thermischer Speicherung entsprechend betreiben.
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.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Wärmepumpensystems mit thermischer Speicherung eines Fahrzeugs, das einen Fahrgastraum aufweist, während eines Starts des Fahrzeugs, wobei das Wärmepumpensystem mit thermischer Speicherung einen Kompressor, eine erste Kühlmittelpumpe und eine zweite Kühlmittelpumpe aufweist, wobei der Kompressor einen Einlass und einen Auslass besitzt und derart konfiguriert ist, ein Kältemittel zu komprimieren, wobei das Verfahren umfasst, dass: von zumindest einem Controller eine Messung eines ansaugseitigen Drucks des Kältemittels an dem Einlass des Kompressors empfangen wird; von dem zumindest einen Controller eine Messung eines austragsseitigen Drucks des Kältemittels an dem Auslass des Kompressors empfangen wird; von dem zumindest einen Controller die Messung des ansaugseitigen Drucks mit einem Minimalwert des ansaugseitigen Drucks und die Messung des austragsseitigen Drucks mit einem Maximalwert des austragsseitigen Drucks verglichen werden, um zumindest eine Bedingung zu erhalten; zumindest eines aus dem Kompressor, der ersten Kühlmittelpumpe und der zweiten Kühlmittelpumpe auf Grundlage der zumindest einen Bedingung betrieben wird; wobei der Minimalwert des ansaugseitigen Drucks und der Maximalwert des austragsseitigen Drucks in dem zumindest einen Controller gespeichert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben von zumindest einem aus dem Kompressor, der ersten Kühlmittelpumpe und der zweiten Kühlmittelpumpe umfasst, dass die erste Kühlmittelpumpe auf eine maximale Drehzahl gesetzt wird und der Kompressor auf eine minimale Drehzahl gesetzt wird, wenn die zumindest eine Bedingung umfasst, dass die Messung des ansaugseitigen Drucks unterhalb des Minimalwerts des ansaugseitigen Drucks liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Betreiben von zumindest einem aus dem Kompressor, der ersten Kühlmittelpumpe und der zweiten Kühlmittelpumpe ferner umfasst, dass die erste Kühlmittelpumpe bei einer maximalen Drehzahl beibehalten wird, die Drehzahl des Kompressors auf eine maximale Drehzahl erhöht wird und die zweite Kühlmittelpumpe auf eine minimale Drehzahl gesetzt wird, wenn die zumindest eine Bedingung umfasst, dass die Messung des ansaugseitigen Drucks über dem Minimalwert des ansaugseitigen Drucks liegt und die Messung des austragsseitigen Drucks unterhalb des Maximalwerts des austragsseitigen Drucks liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend, dass von dem Controller ein Eingang für eine Solltemperatur für den Fahrgastraum empfangen wird und die Drehzahl der zweiten Kühlmittelpumpe auf Grundlage der Solltemperatur erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messung des ansaugseitigen Drucks durch einen Sensor für ansaugseitigen Druck, der an dem Einlass des Kompressors angeordnet ist, genommen und an den zumindest einen Controller übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messung des austragsseitigen Drucks von einem Sensor für austragsseitigen Druck, der an dem Auslass des Kompressors angeordnet ist, genommen und an den zumindest einen Controller übertragen wird.
Verfahren zum Betrieb eines Wärmepumpensystems mit thermischer Speicherung eines Fahrzeugs, das einen Fahrgastraum aufweist, wobei das Wärmepumpensystem mit thermischer Speicherung einen ersten Kühlmittelkreislauf, der derart konfiguriert ist, ein erstes Kühlmittel durch eine Vorrichtung für thermische Speicherung zu zirkulieren, die derart konfiguriert ist, thermische Energie zu speichern, einen zweiten Kühlmittelkreislauf, der derart konfiguriert ist, ein zweites Kühlmittel durch einen Heizerkern zu zirkulieren, der derart konfiguriert ist, in den Fahrgastraum strömende Luft zu erwärmen; und einen Kältekreislauf in thermischer Kommunikation mit dem ersten Kühlmittelkreislauf und dem zweiten Kühlmittelkreislauf über einen ersten Wärmetauscher und einen zweiten Wärmetauscher aufweist, wobei der Kältekreislauf derart konfiguriert ist, ein Kältemittel durch einen dritten Wärmetauscher zu zirkulieren, der derart konfiguriert ist, Wärme aus der Umgebungsluft zu entnehmen, wobei das Verfahren umfasst, dass: von zumindest einem Controller zumindest eine Messung eines Parameters empfangen wird; auf Grundlage der zumindest einen Messung eine Wärmequelle ermittelt wird, aus der das zweite Kühlmittel Wärme zur Übertragung an den Fahrgastraum über den Heizerkern aufnimmt; und das Wärmepumpensystem mit thermischer Speicherung betrieben wird, um Wärme von der Wärmequelle zu ziehen; wobei die Wärmequelle zumindest eines aus der Vorrichtung für thermische Speicherung und Umgebungsluft über den dritten Wärmetauscher ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Parameter zumindest eines aus einer Temperatur der Vorrichtung für thermische Speicherung, einer Temperatur der Umgebungsluft und einer Feuchte der Umgebungsluft umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zumindest eine Messung eine Messung der Temperatur der Vorrichtung für thermische Speicherung ist, die von einem ersten Temperatursensor genommen und an den zumindest einen Controller übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zumindest eine Messung eine OAT-Messung ist, die durch einen zweiten Temperatursensor genommen und an den zumindest einen Controller übertragen wird.