DE102014200227B4

DE102014200227B4 - Verfahren zur Steuerung einer Heiz-Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014200227B4
Application number: DE102014200227.3A
Authority: DE
Inventors: Robert HERBOLZHEIMER
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: WO2015104140A1; DE102014200227A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Heiz-Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem Wärmepumpensystem mit einem Kältemittelkreislauf, der zumindest einen Außenwärmetauscher, einen Kältemittelverdichter zum Fördern von einem Kältemittel, ein Expansionsorgan (EXO) vor dem Außenwärmetauscher als Drossel bzw. zur Dosierung einer den Außenwärmetauscher durchströmenden Kältemittelmenge, einen Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler, der direkt oder indirekt über einen weiteren Medienkreislauf die Luft zur Beheizung eines Innenraums erwärmt, und Kältemittelleitungen, über die die vorgenannten Komponenten miteinander verbunden sind, umfasst, wobei in einem Heizbetrieb des Wärmepumpensystems das Expansionsorgan (EXO) in Abhängigkeit einer aktuellen Betriebssituation auf unterschiedliche Bezugsgrößen-Sollwerte (pSaug_soll, pHD_soll) geregelt wird und wobei das Expansionsorgan (EXO) in Abhängigkeit davon, ob eine Anfahrsituation vorliegt oder nicht, auf unterschiedliche Bezugsgrößen-Sollwerte (pSaug_soll, pHD_soll) geregelt wird, wobei eine Anfahrsituation in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem aktuell herrschenden Hochdruck (pHD_ist) und einem vorgegebenen Soll-Hochdruck (pHD_soll), oder bei Unterschreitung eines vorgegebenen Mindest-Hochdrucks (pHDGW) erkannt wird.

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.
Heiz-Klimaanlagen mit einem Kältemittelkreislauf in Kraftfahrzeugen sind bereits seit langem bekannt. Aus der DE 101 26 257 A1 ist eine als Wärmepumpensystem ausgebildete Heiz-Klimaanlage mit einem dem Verdampfer zugeordneten Expansionsventil zur Dosierung der Kältemittelmenge durch den Verdampfer und einem dem Außenwärmetauscher zugeordneten Expansionsorgan zur Dosierung der Kältemittelmenge durch den Außenwärmetauscher bekannt, wobei beide Expansionsorgane regelbar sind.
Zum weiteren technischen Hintergrund wird auf die DE 10 2006 057 132 A1 , DE 10 2004 005 175 A1 , DE 10 2011 051 285 A1 , US 2004 / 0 079 096 A1 und US 5 878 589 A hingewiesen.
Aufgabe der Erfindung ist, ein einfaches und effizientes Verfahren zum Betreiben einer Heiz-Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem Wärmepumpensystem anzugeben, bei dem zumindest ein Expansionsorgan, welches als Drossel fungiert bzw. das die den Außenwärmetauscher durchströmende Kältemittelmenge dosiert, regelbar ist.
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-/ Regelvorrichtung, insbesondere in einer Klimasteuer-/ Regelvorrichtung umgesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich für ein Wärmepumpensystem mit einem Kältemittelkreislauf vorgesehen, wobei der Kältemittelkreislauf zumindest einen Außenwärmetauscher, einen Kältemittelverdichter zum Fördern von Kältemittel, ein Expansionsorgan als Drossel bzw. zur Dosierung der den Außenwärmetauscher durchströmenden Kältemittelmenge, 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 Kältemittelkreislauf kann noch weitere Komponenten wie z. B. einen Verdampfer zur Abkühlung von einem Innenraum zuzuführender Luft, ein Expansionsorgan, das die den Verdampfer durchströmende Kältemittelmenge dosiert, oder einen saugseitigen Sammler umfassen.
Bei derartigen Kältemittelkreislaufsystemen wird im Kühlbetrieb ausgehend vom Kältemittelverdichter das als Heißgas vorliegende Kältemittel dem Außenwärmetauscher zugeführt und dort durch die Wärmeabgabe an ein geeignetes Kühlmedium - wie z.B. die Außenluft - kondensiert bzw. abgekühlt. Anschließend wird das kondensierte/ abgekühlte Kältemittel mittels einer entsprechenden Steuerung oder Regelung entspannt. Im nachgeschalteten Verdampfer wird der zu kühlenden Luft Wärme entzogen, wodurch das Kältemittel Wärme aufnimmt. Anschließend erhitzt sich das Kältemittel durch die Kompression im Kältemittelverdichter, so dass es in der Regel als Heißgas vorliegt.
Im Heizbetrieb wird ausgehend vom Kältemittelverdichter das als Heißgas vorliegende Kältemittel dem Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler zugeführt. Dort wird Luft oder ein weiteres Medium (z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch) erwärmt. Beim Durchströmen des nachgeschalteten Außenwärmetauschers entzieht das Kältemittel der Luft Wärme, welche vom Kältemittel aufgenommen wird. Anschließend erhitzt sich das Kältemittel durch die Kompression im Kältemittelverdichter, so dass es in der Regel als Heißgas vorliegt.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass es aus Effizienzgründen und zum Zwecke des Erreichens einer ausreichenden Heizleistung sinnvoll ist, das Expansionsorgan, das zur Drosselung bzw. Dosierung der durch den Außenwärmetauscher strömenden Kältemittelmenge dient, je nach aktuellen Betriebssituation unterschiedlich zu regeln. Darauf basierend zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines Wärmepumpensystems in einem Fahrzeug dadurch aus, dass im Heizbetrieb des Wärmepumpensystems das Expansionsorgan in Abhängigkeit einer aktuellen Betriebssituation des Kraftfahrzeugs bzw. einer aktuellen Betriebssituation des Wärmepumpensystems auf unterschiedliche Bezugsgrößen-Sollwerte geregelt wird. Insbesondere soll dabei in Abhängigkeit von der Betriebssituation des Kraftfahrzeugs bzw. des Wärmepumpensystems ein mit dem erforderlichen Kältemitteldruck im Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler korrelierender betriebssituations-abhängiger Druck-Sollwert ermittelt werden, und das Expansionsorgan zum Erreichen des Druck-Sollwertes entsprechend geregelt werden.
Vorteilhafterweise wird im Sinne unterschiedlicher Betriebssituationen des Kraftfahrzeugs bzw. des Wärmepumpensystems eine Unterscheidung hinsichtlich dem Vorliegen einer Anfahrsituation vorgenommen, d. h. das Expansionsorgan wird in Anhängigkeit davon, ob eine Anfahrsituation vorliegt und erkannt wird, oder ob keine Anfahrsituation vorliegt und erkannt wird, auf unterschiedliche Bezugsgrößen-Sollwerte geregelt.
Eine Anfahrsituation kann durch Auswertung verschiedener Parameter und Messwerte festgestellt werden. Vorteilhafterweise kann eine Anfahrsituation in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem aktuell herrschenden Hochdruck im Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler, und einem vorgegebenen Soll-Hochdruck (wobei dann auf eine Anfahrsituation geschlossen wird, solange die Differenz nicht größer als ein vorgegebener Grenzwert ist), oder bei Unterschreitung eines vorgegebenen Mindest-Hochdrucks erkannt werden.
Wird eine Anfahrsituation erkannt, so wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als betriebssituations-abhängiger Druck-Sollwert ein Soll-Saugdruck am Außenwärmetauscher ermittelt und zur Regelung des Expansionsorgans herangezogen, d. h. es erfolgt eine sog. Saugdruckregelung. Der Soll-Saugdruck wird dabei aus einem ermittelten Sättigungsdampfdruck des Kältemittels bei aktueller Außentemperatur abzüglich eines vorgegebenen ersten Offset-Drucks ermittelt.
Die Regelung des Expansionsorgans kann dabei vorteilhafterweise mittels eines PI-Reglers erfolgen, wobei als Regelgröße ein aus einem ermittelten Sättigungsdampfdruck des Kältemittels bei aktueller Außentemperatur abzüglich eines vorgegebenen ersten Offset-Druck ermittelter Soll-Saugdruck am Außenwärmetauscher, und als Stellgröße ein Ansteuersignal für das Expansionsorgan (z. B. zum Einstellen eines notwendigen Öffnungsquerschnitts eines Expansionsventils) ausgegeben wird.
Wird keine Anfahrsituation erkannt, wird erfindungsgemäß keine Saugdruckregelung, sondern eine Hochdruckregelung des Expansionsorgans vorgenommen. In diesem Fall wird demnach als betriebssituations-abhängiger Druck-Sollwert ein Soll-Hochdruck im Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler ermittelt und zur Regelung des Expansionsorgans herangezogen. Der Soll-Hochdruck wird vorteilhafterweise dabei aus einem ermittelten Sättigungsdampfdruck des Kältemittels zur Erzeugung einer ermittelten erforderlichen Lufttemperatur oder der Temperatur eines Medienkreislaufs zur Beheizung des Innenraums, zuzüglich eines vorgegebenen zweiten Offset-Drucks ermittelt. Dieser Offset-Druck ist notwendig, um eine bestimmte Lufttemperatur bzw. Wassertemperatur erreichen zu können. Damit diese Temperatur erreicht werden kann, muss die entsprechende Kondensationstemperatur des Kältemittels und somit der Soll-Hochdruck etwas höher als der entsprechende Sättigungsdampfdruck gelegt werden.
Analog zur Saugdruckregelung während der Anfahrsituation kann auch die Hochdruck-Regelung des Expansionsorgans mittels eines PI-Reglers erfolgen, wobei als Regelgröße ein aus einem ermittelten Sättigungsdampfdruck des Kältemittels zuzüglich eines vorgegebenen zweiten Offset-Drucks ermittelter Soll-Hochdruck im Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler, und als Stellgröße ein Ansteuersignal für das Expansionsorgan ausgegeben wird.
Um einen ausreichenden Kältemittelfluss sicherstellen zu können, sieht das erfindungsgemäße Verfahren in einer Weiterbildung vor, dass der Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans bzw. die Durchflussmenge durch das Expansionsorgan zusätzlich in Abhängigkeit vom aktuellen Saugdruck am Außenwärmetauscher beeinflusst wird, insbesondere derart, dass ein vom aktuellen Saugdruck abhängiger minimaler Öffnungsquerschnitt bzw. eine minimale Durchflussmenge durch das Expansionsorgan nicht unterschritten wird. Mit anderen Worten ausgedrückt ist eine zusätzliche Minimalbegrenzung des Öffnungsquerschnitts des Expansionsorgans bzw. der Durchflussmenge durch das Expansionsorgan in Abhängigkeit vom aktuellen Saugdruck vorgesehen, wobei bei niedrigem Saugdruck der minimal erlaubte Öffnungsquerschnitt bzw. die minimal erlaubte Durchflussmenge größer sein muss als bei größerem aktuellen Saugdruck. Der Zusammenhang zwischen aktuellem Saugdruck und minimal erlaubter Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans bzw. erlaubte minimale Durchflussmenge durch das Expansionsorgan kann mittels einer Kennlinie abgelegt sein.
Die Erfindung wird nun anhand nachfolgenden Ausführungsbeispiels nochmals näher erläutert. Dabei zeigt die einzige 1 ein stark vereinfachtes Ablaufschema zur Regelung eines Expansionsorgans EXO zur Dosierung der den Außenwärmetauscher durchströmenden Kältemittelmenge im Heizbetrieb eines Wärmepumpensystems einer Fahrzeug-Heiz-Klimaanlage.
Auf eine detaillierte Darstellung eines Wärmepumpen-Systems, das zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums verwendet wird, wird hier verzichtet, da solche Systeme bereits aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Das hier zu erläuternde Verfahren startet, sobald ein Heizbetrieb des Wärmepumpensystems angefordert wird. Wird ein Heizbetrieb angefordert, so wird zunächst im Schritt 10 ein Mindesthochdruck des Kältemittels pHDGW (beispielsweise abhängig von der geforderten Temperatur T_soll für die Beheizung) und ein Grenzwert ΔpHD für die Differenz zwischen dem aktuell herrschenden Hochdruck und einem vorgegebenen Soll-Hochdruck (hier beispielsweise als fester Wert von z.B. 1 bar) festgelegt. Gleichzeitig wird eine Sollwert pSaug_soll für einen einzuregelnden Saugdruck und ein Sollwert für einen einzuregelnden Hochdruck ermittelt und vorgegeben. Der Soll-Saugdruck pSaug_soll wird dabei als Funktion f in Abhängigkeit eines bei aktueller Außentemperatur TA ermittelten Sättigungsdampfdrucks pS abzüglich eines ersten vorgegebenen Offset-Drucks Δp1 definiert. Der Soll-Hochdruck wird als Funktion f in Abhängigkeit eines zur Erzeugung einer erforderlichen Lufttemperatur TL abhängigen Sättigungsdampfdrucks pS zuzüglich eines vorgegebenen zweiten Offset-Drucks Δp2 definiert.
Anschließend erfolgt im nächsten Schritt 20 eine Regelung des Expansionsorgans EXO ausgehend vom aktuellen Saugdruck pSaug_ist auf den oben vorgegebenen Soll-Saugdruck pSaug_soll mittels eines PI-Reglers. Diese Saugdruck-Regelung auf den vorgegebenen Soll-Saugdruck pSaug_soll findet solange statt, bis erkannt wird (Schritt 30), dass die Differenz zwischen dem aktuellem Hochdruck pHD_ist und dem vorgegebenen Soll-Hochdruck pHD_soll größer als der in Schritt 10 vorgegebene Grenzwert für die Differenz zwischen dem aktuell herrschenden Hochdruck pHD_ist und dem vorgegebenen Soll-Hochdruck pHD_soll ist oder der aktuelle Hochdruck pHD_ist den oben definierten Mindesthochdruck des Kältemittels pHDGW überschreitet.
Wird in Schritt 30 festgestellt, dass die Differenz zwischen dem aktuellem Hochdruck pHD_ist und dem vorgegebenen Soll-Hochdruck pHD_soll größer als der in Schritt 10 vorgegebene Grenzwert für die Differenz zwischen dem aktuell herrschenden Hochdruck pHD_ist und dem vorgegebenen Soll-Hochdruck pHD_soll ist oder der aktuelle Hochdruck pHD_ist den oben definierten Mindesthochdruck des Kältemittels pHDGW überschreitet, wird zu Schritt 40 übergegangen und von der bisherigen Saugdruck-Regelung auf eine Hochdruck-Regelung auf einen vorgegebenen Soll-Hochdruck pHD_soll umgeschaltet. Die Hochdruck-Regelung erfolgt dabei wiederum mittels eines PI-Reglers solange, bis der aktuelle Saugdruck pSaug_ist deutlich größer als der vorgegebene Sollsaugdruck pSaug_soll ist (Schritt 50).
Durch das hier dargestellte Verfahren kann auf einfache und kostengünstige Weise durch eine optimale Regelung des die Kältemittelmenge durch den Außenwärmetauscher beeinflussenden Expansionsorgans ein hinsichtlich Effizienz und gleichzeitig ausreichender Leistungsbereitstellung optimaler Heizbetrieb des Wärmepumpensystems sichergestellt werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Heiz-Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem Wärmepumpensystem mit einem Kältemittelkreislauf, der zumindest einen Außenwärmetauscher, einen Kältemittelverdichter zum Fördern von einem Kältemittel, ein Expansionsorgan (EXO) vor dem Außenwärmetauscher als Drossel bzw. zur Dosierung einer den Außenwärmetauscher durchströmenden Kältemittelmenge, einen Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler, der direkt oder indirekt über einen weiteren Medienkreislauf die Luft zur Beheizung eines Innenraums erwärmt, und Kältemittelleitungen, über die die vorgenannten Komponenten miteinander verbunden sind, umfasst, wobei in einem Heizbetrieb des Wärmepumpensystems das Expansionsorgan (EXO) in Abhängigkeit einer aktuellen Betriebssituation auf unterschiedliche Bezugsgrößen-Sollwerte (pSaug_soll, pHD_soll) geregelt wird und wobei das Expansionsorgan (EXO) in Abhängigkeit davon, ob eine Anfahrsituation vorliegt oder nicht, auf unterschiedliche Bezugsgrößen-Sollwerte (pSaug_soll, pHD_soll) geregelt wird, wobei eine Anfahrsituation in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem aktuell herrschenden Hochdruck (pHD_ist) und einem vorgegebenen Soll-Hochdruck (pHD_soll), oder bei Unterschreitung eines vorgegebenen Mindest-Hochdrucks (pHDGW) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Betriebssituation ein mit dem erforderlichen Kältemitteldruck im Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler korrelierender betriebssituations-abhängiger Druck-Sollwert (pSaug_soll, pHD_soll), der insbesondere abhängig von der Betriebssituation ein Soll-Saugdruck (pSaug_soll) oder ein Soll-Hochdruck (pHD_soll) ist, ermittelt wird, und das Expansionsorgan (EXO) zum Erreichen des Druck-Sollwertes (pSaug_soll, pHD_soll) entsprechend geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anfahrsituation als betriebssituations-abhängiger Druck-Sollwert ein Soll-Saugdruck (pSaug_soll) am Außenwärmetauscher ermittelt wird, wobei der Soll-Saugdruck insbesondere aus einem ermittelten Sättigungsdampfdruck (pS) des Kältemittels bei aktueller Außentemperatur (TA) abzüglich eines vorgegebenen ersten Offset-Drucks (Δp1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anfahrsituation zum Erreichen des betriebssituations-abhängigen Druck-Sollwertes (pSaug_soll) ein PI-Regler eingesetzt wird, wobei als Regelgröße ein aus einem ermittelten Sättigungsdampfdruck (pS) des Kältemittels bei aktueller Außentemperatur (TA) abzüglich eines vorgegebenen ersten Offset-Druck (Δp1) ermittelter Sollsaudruck (pSaug_soll) am Außenwärmetauscher, und als Stellgröße ein Ansteuersignal für das Expansionsorgan (EXO) herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb einer Anfahrsituation als betriebssituations-abhängiger Druck-Sollwert ein Soll-Hochdruck (pHD_soll) im Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler ermittelt wird, wobei der Soll-Hochdruck (pHD_soll) insbesondere aus einem ermittelten Sättigungsdampfdruck (pS) des Kältemittels zur Erzeugung einer ermittelten erforderlichen Lufttemperatur (TL) oder Temperatur eines Medienkreislaufs zur Beheizung des Innenraums zuzüglich eines vorgegebenen zweiten Offset-Drucks (Δp2) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb einer Anfahrsituation zum Erreichen des betriebssituations-abhängigen Druck-Sollwertes (pHD_soll) ein PI-Regler eingesetzt wird, wobei als Regelgröße ein aus einem ermittelten Sättigungsdampfdruck (pS) des Kältemittels zuzüglich eines vorgegebenen zweiten Offset-Drucks (Δp1) ermittelter Soll-Hochdruck (pHD_soll) im Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler, und als Stellgröße ein Ansteuersignal für das Expansionsorgan herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgan (EXO) oder die Kältemittel-Durchflussmenge durch das Expansionsorgan (EXO) zusätzlich in Abhängigkeit vom aktuellen Saugdruck (pSaug_ist) am Außenwärmetauscher beeinflusst wird, insbesondere derart, dass ein vom aktuellen Saugdruck (pSaug_ist) abhängiger minimal erlaubter Öffnungsquerschnitt oder eine minimale Kältemittel-Durchflussmenge nicht unterschritten wird.