DE102014200225A1

DE102014200225A1 - Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Heiz-Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014200225A1
Application number: DE102014200225.7A
Authority: DE
Inventors: Robert HERBOLZHEIMER; Max Beier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2015-07-09

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Heiz-Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem Wärmepumpensystem mit einem Kältemittelkreislauf, der zumindest einen Außenwärmetauscher, einen Kältemittelverdichter zum Fördern von Kältemittel, ein Expansionsorgan, das dem Außenwärmetauscher zugeordnet ist, einen Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler, der direkt oder indirekt über einen weiteren Medienkreislauf die Luft zur Beheizung des Innenraums erwärmt, und Kältemittelleitungen, über die die vorgenannten Komponenten miteinander verbunden sind, umfasst, und wobei der Kältemittelverdichter zum Erreichen einer erforderlichen Leistung geregelt wird. Erfindungsgemäß wird im Heizbetrieb der Heiz-Klimaanlage ein mit der erforderlichen Wärmeleistung am Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler korrelierender Sollwert ermittelt wird, und zum Erreichen des mit der erforderlichen Wärmeleistung korrelierenden Sollwertes der Kältemittelverdichter entsprechend geregelt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Heiz-Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem Wärmepumpensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Grundsätzlich ist bereits bekannt, dass bei Heiz-Klimaanlagen mit einem Wärmepumpensystem im Heizbetrieb mit einer geeigneten Kältekreislaufverschaltung Wärme am Verdampfer und/oder am Außenwärmetauscher aufgenommen und zum Heizen verwendet wird. Eine derartige Heiz-Klimaanlage mit einem Wärmepumpensystem ist bspw. aus der DE 102 53 357 B4 bekannt.
Weiter ist es bei den bekannten Wärmepumpensystemen derzeit üblich, die einzelnen Komponenten des Kältekreislaufs zum Erreichen einer gewünschten Temperatur entsprechend zu steuern oder zu regeln. Die DE 101 26 257 A1 offenbart bereits ein Wärmepumpensystem, wobei der Kältemittelverdichter zum Erreichen einer erforderlichen Leistung grundsätzlich regelbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist nun, ein einfaches und effizientes Verfahren zum Betreiben einer Heiz-Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem Wärmepumpensystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Das erfindungsgemäße Verfahren, sowie dessen vorteilhafte Ausgestaltungen können mittels eines implementierten Algorithmus oder einer entsprechenden Baugruppenanordnung in zumindest einer dafür vorgesehenen Steuer- oder Regelvorrichtung, insbesondere in einer Klimasteuervorrichtung umgesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich für ein Wärmepumpensystem vorgesehen, wobei der Kältemittelkreislauf des Wärmepumpensystems zumindest einen Außenwärmetauscher, einen Kältemittelverdichter zum Fördern von Kältemittel, ein Expansionsorgan, einen Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler, der direkt oder indirekt über einen weiteren Medienkreislauf die Luft zur Beheizung des Innenraums erwärmt, und Kältemittelleitungen, über die die vorgenannten Komponenten miteinander verbunden sind, umfasst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Wärmepumpensystem, bei dem im Heizbetrieb die Wärmeübertragung am Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler direkt an die Luft oder indirekt über einen weiteren Medienkreislauf an die Luft zum Beheizen des Innenraums übertragen wird, eine Regelung des Kältemittelverdichters des Kältekreislaufs in Abhängigkeit einer mit der Wärmeleistung am Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler korrelierenden Sollwerts möglich ist. Um im Heizbetrieb des Wärmepumpensystems eine hinsichtlich der Leistung und der Effizienz optimale Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums erreichen zu können, sieht das erfindungsgemäße Verfahren demnach vor, dass im Heizbetrieb der Heiz-Klimaanlage ein mit der erforderlichen Wärmeleistung am Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler korrelierender Sollwert ermittelt wird, und zum Erreichen des mit der erforderlichen Wärmeleistung korrelierenden Sollwertes der Kältemittelverdichter entsprechend geregelt wird. Bei dem Kältemittelverdichter kann es sich um jede Art von Kältemittelverdichter handeln, wobei vorzugsweise ein elektrischer Kältemittelverdichter eingesetzt werden soll.
Der mit der erforderlichen Wärmeleistung am Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler korrelierende Sollwert kann dabei entweder aus kältemittelseitig vorliegenden Betriebsdaten bzw. Parametern oder aus luftseitig vorliegenden Betriebsdaten bzw. Parametern, aus denen sich ein entsprechender Sollwert ermitteln lässt, ermittelt werden.
Vorteilhafterweise kann der mit der erforderlichen Wärmeleistung korrelierende Sollwert in Abhängigkeit von einer Lufttemperatur-Differenz im Bereich der Heiz-Klimaanlage, insbesondere aus einem Soll- oder Istwert der Lufttemperatur für die (wärmste) Ausblastemperatur der Luft und der ermittelten Lufttemperatur am Lufteintritt in das Klimagerät bzw. vor dem beheizenden Element (Heizungswärmetauscher bzw. Wärmepumpenkondensator) ermittelt werden. Dabei kann die Lufttemperatur am Lufteintritt mittels eines Modells berechnet oder mittels eines entsprechenden Sensors gemessen werden. Ebenso kann der Soll- oder Istwert der Lufttemperatur für die wärmste Ausblastemperatur der Luft berechnet oder mittels eines entsprechenden Temperatursensors gemessen werden.
Bei der Ermittlung des mit der erforderlichen Wärmeleistung am Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler korrelierender Sollwertes kann zusätzlich oder alternativ auch die durch die Heiz-Klimaanlage geförderte Luftmenge berücksichtigt werden, wobei die geförderte Luftmenge vorteilhafterweise in Abhängigkeit von der Gebläseleistung des Gebläses der Heiz-Klimaanlage abgeschätzt bzw. ermittelt werden kann.
Als besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung hat sich gezeigt, als mit der erforderlichen Wärmeleistung am Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler korrelierenden Sollwert die erforderliche Wärmeleistung am Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler zu ermitteln, wobei die Wärmeleistung luftseitig bspw. durch Multiplikation einer ermittelten Lufttemperatur-Differenz im Bereich der Heiz-Klimaanlage mit der geförderten Luftmenge durch die Heiz-Klimaanlage ermittelt werden kann.
Als Regelungseinheit zum Regeln des Kältemittelverdichters kann vorteilhafterweise ein PI-Regler eingesetzt werden, wobei als Regelgröße der mit der erforderlichen Wärmeleistung korrelierende Sollwert bzw. eine ermittelte Soll-Wärmeleistung am Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler ausgewertet, und als Stellgröße ein Ansteuersignal für den Kältemittelverdichter ausgegeben wird. Je nach Ausgestaltung des Kältemittelverdichters kann es sich demnach um die Drehzahl eines elektrischen Kältemittelverdichters oder um einen Steuerstrom und/oder das Hubvolumen eines entsprechend ausgebildeten Kältemittelverdichters handeln.
Um einen einwandfreien Betrieb des Wärmepumpensystems im Heizbetrieb sicherzustellen, kann bei der Ansteuerung bzw. Regelung des Kältemittelverdichters zusätzlich eine Begrenzung der Ansteuerung auf einen minimal erlaubten Saugdruck vor dem Kältemittelverdichter vorgesehen werden. So kann bspw. in der entsprechenden Steuereinheit eine Kennlinie für eine maximal erlaubte Kältemittelverdichteransteuerung hinterlegt sein, welche abhängig vom Saugdruck eine maximale Kältemittelverdichteransteuerung vorgibt, welche nicht überschritten werden darf.
Ebenso denkbar ist eine Begrenzung der Ansteuerung bzw. Regelung des Kältemittelverdichters in Abhängigkeit vom Hochdruck und/oder der Heißgastemperatur (= Temperatur nach dem Verdichter) des Kältemittels. So kann analog zu oben bspw. in der entsprechenden Steuereinheit eine Kennlinie für einen maximal erlaubten Hochdruck des Kältemittels und/oder eine maximale Heißgastemperatur des Kältemittels hinterlegt sein, welche jeweils nicht überschritten werden darf.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die einzige 1 ein vereinfachtes beispielhaftes Schema zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer Heiz-Klimaanlage mit einem Wärmepumpensystem in einem Fahrzeug während eines Heizbetriebs. Auf eine detaillierte Darstellung eines Wärmepumpensystems mit allen relevanten Komponenten wird hier verzichtet, da sie bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist.
In dem mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichneten oberen Zweig der einzigen 1 des Schemas wird überprüft, ob ein Heizbetrieb HB angefordert wird. Ist dies nicht der Fall (Signal 0), wird durch eine entsprechende Stellung eines Schalters S der untere Bereich zur Ermittlung eines geeigneten Ansteuersignale (Bezugszeichen 30) des (ggf. elektrischen) Kältemittelverdichters mittels eines PI-Reglers inaktiv geschaltet.
Wird jedoch erkannt, dass ein Heizbetrieb HB angefordert wird (Signal 1), wird durch eine entsprechende Stellung des Schalters S eine aus dem unten dargestellten, und nachstehend genauer erläuterten PI Regler ermittelte empfohlene Drehzahl/Ansteuersignal eDZ_eKMV für den Kältemittelverdichter mit einer in Abhängigkeit vom aktuellen Saugdruck pSaug vor dem Kältemittelverdichter ermittelten maximal erlaubten Drehzahl/Ansteuersignal DZmax für den Kältemittelverdichter verglichen. Aufgrund der nachgeordneten Minimum-Auswahl MIN wird die kleinere der beiden empfohlenen bzw. erlaubten Drehzahlen/Ansteuersignale eDZ_eKMV bzw. DZmax ausgegeben und am Kältemittelverdichter eingestellt.
Zur Bestimmung der empfohlenen Drehzahl eDZ_eKMV des Kältemittelverdichters (unterer Zweig 20) wird zunächst in Abhängigkeit von der Gebläseleistung GL der Heiz-Klimaanlage die durch die Klimaanlage, insbesondere die durch den Warmluftpfad strömende Luftmenge LM abgeschätzt. Weiter wird aus der Differenz einer ermittelten Soll-Ausblastemperatur Tluftsoll der Luft an einem Luftaustritt der Heiz-Klimaanlage, insbesondere der wärmsten Soll-Ausblastemperatur, und der ermittelten Lufttemperatur TLuftvorV am Lufteintritt ein Lufttemperatur-Differenz-Sollwert delta TLuft soll ermittelt.
Dieser ermittelte Lufttemperatur-Differenz-Sollwert delta TLuft soll wird mit der durch das Klimagerät strömenden, abgeschätzten Luftmenge LM multipliziert. Aus der Multiplikation ergibt sich ein Soll-Wert bzw. die erforderliche Wärmeleistung WLsoll des Wärmepumpen-Kondensators des Wärmepumpensystems.
Analog zur Ermittlung der Soll-Wärmeleistung WLsoll wird die tatsächliche Wärmeleistung WList durch Multiplikation der aus der Gebläseleistung GL ermittelten Luftmenge LM durch die Klimaanlage mit einem ermittelten Lufttemperatur-Differenz-Istwert deltaTLuft ist ermittelt, wobei der Lufttemperatur-Differenz-Istwert deltaTLuft ist aus der Differenz der tatsächlichen Ausblastemperatur Tluftist der Luft an einem Luftaustritt der Heiz-Klimaanlage, insbesondere der wärmsten Ausblastemperatur, und der ermittelten Lufttemperatur TLuftvorV ermittelt wird.
Diese Soll-Wärmeleistung WLsoll und die ermittelte tatsächliche Wärmeleistung WList am Wärmepumpen-Kondensator gehen in den PI-Regler ein, in welchem intern aus der Regelabweichung eine empfohlene Drehzahl eDZ_eKMV für den Kältemittelverdichter des Wärmepumpensystems als Stellgröße ermittelt wird. Soll beispielsweise die Wärmeleistung am Wärmepumpen-Kondensator erhöht werden, so muss eine höhere Drehzahl eDZ_eKMV für den Kältemittelverdichter empfohlen werden und umgekehrt.
Durch das hier dargestellte Verfahren kann auf einfache und kostengünstige Weise eine optimale Regelung des Kältemittelverdichters hinsichtlich Effizienz und gleichzeitig ausreichender Leistungsbereitstellung des Wärmepumpensystems im Heizbetrieb der Heiz-Klimaanlage bereitgestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10253357 B4 [0002]
DE 10126257 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Heiz-Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem Wärmepumpensystem mit einem Kältemittelkreislauf, der zumindest einen Außenwärmetauscher, einen Kältemittelverdichter zum Fördern von Kältemittel, ein Expansionsorgan, das dem Außenwärmetauscher zugeordnet ist, einen Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler, der direkt oder indirekt über einen weiteren Medienkreislauf die Luft zur Beheizung des Innenraums erwärmt, und Kältemittelleitungen, über die die vorgenannten Komponenten miteinander verbunden sind, umfasst, und wobei der Kältemittelverdichter zum Erreichen einer erforderlichen Leistung geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizbetrieb (HB) der Heiz-Klimaanlage ein mit der erforderlichen Wärmeleistung am Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler korrelierender Sollwert (WLsoll) ermittelt wird, und zum Erreichen des mit der erforderlichen Wärmeleistung korrelierenden Sollwertes (WLsoll) der Kältemittelverdichter geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der erforderlichen Wärmeleistung korrelierende Sollwert (WLsoll) in Abhängigkeit von einer Lufttemperatur-Differenz (delta TLuft soll) im Bereich der Heiz-Klimaanlage ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufttemperatur-Differenzwert (delta TLuft soll, delta Tluftist) aus einem Soll- oder Istwert der Lufttemperatur für die wärmste Ausblastemperatur (TLuftsoll, TLuftist) und der ermittelten Lufttemperatur (TLuftvorV) am Lufteintritt in das Klimagerät oder dem beheizenden Element ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der erforderlichen Wärmeleistung korrelierende Sollwert (WLsoll) in Abhängigkeit von der geförderten Luftmenge (LM) durch die Heiz-Klimaanlage ermittelt wird, wobei die geförderte Luftmenge (LM) vorteilhafterweise in Abhängigkeit von einer Gebläseleistung (GL) der Heiz-Klimaanlage ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der erforderlichen Wärmeleistung korrelierende Sollwert (WLsoll) die erforderliche Wärmeleistung (WLsoll) am Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler ist, und die erforderliche Wärmeleistung (WLsoll) vorteilhafterweise durch Multiplikation einer ermittelten Soll-Lufttemperatur-Differenz (delta TLuft soll) im Bereich der Heiz-Klimaanlage mit der geförderten Luftmenge (LM) durch die Heiz-Klimaanlage ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen des mit der erforderlichen Wärmeleistung korrelierenden Sollwertes (WLsoll) ein PI-Regler (PI-Regler) eingesetzt wird, wobei als Regelgröße der mit der erforderlichen Wärmeleistung korrelierende Sollwert (WLsoll), und als Stellgröße ein Ansteuersignal (eDZ_eKMV, DZ_eKMV) für den Kältemittelverdichter herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal eine Drehzahl (eDZ_eKMV, DZ_eKMV) eines elektrisch betriebenen Kältemittelverdichters oder ein Steuerstrom oder das Hubvolumen eines Kältemittelverdichters ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverdichter zusätzlich in Abhängigkeit vom Saugdruck (pSaug) vor dem Kältemittelverdichter angesteuert wird, insbesondere derart, dass der Kältemittelverdichter maximal derart angesteuert wird, dass ein vorgegebener minimaler Saugdruck vor dem Kältemittelverdichter nicht unterschritten wird.