DE102017211134B4

DE102017211134B4 - Verfahren zur Erhöhung der Dynamik in einem Sekundärkreislauf

Info

Publication number: DE102017211134B4
Application number: DE102017211134.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Christoph Menken; Thomas Weustenfeld
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2023-08-03
Anticipated expiration: 2037-07-01
Also published as: DE102017211134A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer einen Primärkreislauf mit einem Verdichter für ein Primärkreislauffluid, und einen mit dem Primärkreislauf thermisch gekoppelten Sekundärkreislauf (10) mit einem Innenraumwärmeübertrager (11) und einer Pumpe (12) zur Förderung eines Sekundärkreislauffluids; sowie Mittel zur Steuerung der Drehzahl des Verdichters und der Drehzahl der Pumpe (12) umfassenden Vorrichtung zur Regelung der Temperatur im Innenraum eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, worin bei einer Änderung einer Solltemperatur Tdesfür den Innenraum des Kraftfahrzeugs durch einen Fahrzeuginsassen sowohl die Drehzahl n des Verdichters im Primärkreislauf als auch der Volumenstrom V̇ des Sekundärkreislauffluids durch den Innenraumwärmeübertrager (11) erhöht werden, sowohl bei einer Erhöhung als auch bei einer Verringerung der Solltemperatur Tdes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung mit einem Primärkreislauf und einem damit thermisch gekoppelten Sekundärkreislauf zur Regelung der Temperatur im Innenraum eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs.
Bereits bekannte Wärmepumpen- und Kältekreiskonzepte für die Wärmeverteilung von elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen umfassen kältemittelkreisseitig im Wesentlichen einen Kompressor (Verdichter), Ventile und verschiedene direkte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager oder indirekte Kältemittel-Wasser-Wärmeübertrager auf der Hoch- und Niederdruckseite, sowie einen Kältemittelsammler.
Bei einem sogenannten „Sekundärkreislaufsystem“ erfolgt die Anbindung der Verbraucher mit Hilfe von Sekundärfluid-Kreisläufen (in der Regel mit einem Wasser-Glysantin-Gemisch). Für den Wechsel der Betriebszustände sind diverse Umschalt- und Absperrventile in der Wärmeverteilung verbaut. Die Aufheizung in der Wärmeverteilung Abkühlung des Innenraums erfolgt indirekt über einen Sekundärkreislauf mit einer Pumpe.
Anders als bei Vorrichtungen mit einem direkten elektrischen Zuheizer oder einem mit Kältemittel durchströmten Verdampfer im Klimagerät reagiert eine solche Vorrichtung aufgrund des zusätzlichen Wärmeübergangs und zusätzlichen Wärmeübertragungsmediums träge auf plötzliche Änderungen des Systemzustandes (bspw. eine plötzliche Änderung der Soll-Innenraumtemperatur T_des durch den Fahrzeuginsassen).
In der Regel wird bei einer Forderung nach mehr Heiz- oder Kühlleistung Q die Verdichterdrehzahl im Primärkreislauf angehoben. Bis die Wärme oder „Kälte“ beim Fahrzeuginsassen ankommt, vergeht aber eine entsprechende „Totzeit“, was als Komforteinschränkung wahrgenommen werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Steuerung eines Sekundärkreislaufs für die Temperaturregelung im Innenraum eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, zur Verfügung zu stellen, das eine schnelle Anpassung der Innenraumtemperatur an eine geänderte Soll-Innenraumtemperatur bewirkt, also eine Verkürzung der „Totzeit“.
Für Kühlmittelkreisläufe in Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen existieren bereits verschiedene Vorschläge zur Erhöhung der Dynamik.
So beschreibt DE 10 329 563 B4 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Kühl-und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine mit einem autarken Thermostatventil, welches zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine und den Fahrzeugkühler regelt, und einem von der elektronischen Motorsteuerung beeinflussbaren Bypasszweig mit Zusatzventil, welches den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert.
Aus DE 10 143 093 A1 geht ein Verfahren zum Betrieb einer Kühl- und Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge hervor, bei dem Kühlmittel zumindest bei Heizbedarf für die Kabine mittels einer Pumpe durch einen Heizungswärmetauscher gefördert wird, in welchem es Heizleistung an die in die Kabine geförderte Luft abgibt und bei dem die dem Kühlmittel zugeführte Wärmemenge starken und relativ schnellen Änderungen unterworfen ist. In Phasen, in denen ein Überangebot an Wärme für Kabinenheizzwecke vorliegt, erfolgt eine Zwischenspeicherung dadurch, dass die Kühlmitteltemperatur im Wirkbereich des Kabinenwärmetauschers erhöht wird.
Aus der US 2013 / 0 299 129 A1 ist eine Fahrzeugklimaanlage bekannt mit einem ersten Innenraum-Kühlwärmetauscher zum Ansaugen und Kühlen der Luft innerhalb oder außerhalb eines Fahrzeugs; einem am nachgeschalteten Kühlwärmetauscher installierten Wärmetauscher der Innenraum-Klimatisierung zur Regulierung der Temperatur der betreffenden Luft, einem mit dem betreffenden Wärmetauscher der Innenraum-Klimatisierung verbundenen Kältekreislauf, einem im Fahrzeug montierten Heizelement und einem Kreislauf für das Maschinenkühlmittel, das zwischen dem Heizelement und dem ersten Innenraum-Kühlwärmetauscher zirkuliert.
Die DE 10 2010 042 122 A1 betrifft eine Kühlvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Kühlvorrichtung zur Kühlung der Batterie eines Fahrzeuges mit einem Kühlmittelkreislauf. Der Kühlmittelkreislauf weist eine Pumpvorrichtung, einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel und der Batterie, einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Umgebung sowie einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und einem in einem Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittel auf. Der Kältemittelkreislauf ist zusätzlich mit einem Wärmeübertrager und einem dazugehörigen Expansionsorgan ausgebildet. Zudem weist der Kältemittelkreislauf zwei weitere Expansionsorgane auf, wobei das erste Expansionsorgan in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Wärmeübertrager und das zweite Expansionsorgan hinter dem Wärmeübertrager angeordnet ist. Damit sind die kältemittelseitig als Verdampfer ausgebildeten Wärmeübertrager mit unterschiedlichen Druckniveaus und Temperaturniveaus betreibbar.
Die DE 603 19 291 T2 offenbart eine Wärmesteuervorrichtung für mehrere Wärmetauscher, insbesondere für ein mit einer Brennstoffzelle ausgerüstetes Kraftfahrzeug, mit einem Primärkältemittelkreis, in dem ein Kältemittel zirkuliert und in den in Reihe wenigstens ein Kompressor, ein Kondensator, ein Entspanner und ein Verdampfer eingefügt sind, einem Sekundärkreis, in dem ein Wärmefluid zirkuliert. Der Sekundärkreis enthält: a) einen ersten, einen zweiten und einen dritten parallelen Zweig, in denen ein erster der Tauscher, der Kondensator oder der Verdampfer eingefügt sind, b) Mittel zum wahlweisen Verbinden des ersten Zweigs mit dem zweiten Zweig oder mit dem dritten Zweig, c) Mittel zum Zirkulierenlassen des Wärmefluids, d) Mittel zum Steuern des Kompressors, der Mittel zum wahlweisen Verbinden und der Zirkulationsmittel.
Die DE 10 2009 035 329 A1 lehrt ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeuges, umfassend eine Batterie mit mehreren parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen, deren jeweiliges Gehäuse und/oder ein alle umgebendes Batteriegehäuse von einem Kühlmittel durchströmt wird, wobei das Kühlmittel innerhalb eines Kühlmittelkreislaufes von einer Pumpeneinheit gefördert wird, wobei der Kühlmittelkreislauf über einen Wärmetauscher mit einem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt wird. In Abhängigkeit von einer momentanen Umgebungstemperatur und/oder einer momentanen Geschwindigkeit des Fahrzeuges wird ein im Kältemittelkreislauf angeordneter Kältemittelverdichter über den Wärmetauscher mit dem Kühlmittelkreislauf) thermisch gekoppelt, wobei eine Drehzahl des Kältemittelverdichters in Abhängigkeit von der momentanen Umgebungstemperatur und/oder der momentanen Geschwindigkeit des Fahrzeuges eingestellt wird.
Die DE 11 2014 001 870 T5 betrifft ein „Wärmemanagementsystem“ für ein Fahrzeug. Eine Wärmemediumzirkulationseinrichtung, eine erste Pumpe und eine zweite Pumpe sind mit einem ersten Schaltventil und einem zweiten Schaltventil verbunden. Ein Heizungskern ist mit dem ersten Schaltventil und/oder dem zweiten Schaltventil verbunden und mit einem Wärmemediumkreis verbunden. Ein Zustand, in dem das von einer dritten Pumpe abgegebene Wärmemedium in den Heizungskern strömt, wird durch Schalten einer Schaltvorrichtung ausgewählt. Dadurch wird der Aufbau eines „Wärmemanagementsystems“ für ein Fahrzeug, das fähig ist, eine Strömung des durch eine Wärmemediumzirkulationseinrichtung zirkulierenden Wärmemediums umzuschalten, vereinfacht, und die Wärme einer Wärmeerzeugungseinrichtung kann in einer Wärmenutzungseinrichtung verwendet werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, in dem eine Änderung des Innenraumtemperaturwunsches nicht nur zu einer Erhöhung der Verdichterdrehzahl im Primärkreislauf führt, sondern zusätzlich ein weiterer in der Vorrichtung vorhandener Freiheitsgrad für die Regelung benutzt wird, nämlich der Volumenstrom des Sekundärkreislauffluides durch den entsprechenden Innenraumwärmeübertrager.
Durch eine Anhebung der Pumpendrehzahl wird ein größerer Volumenstrom durch den Innenraumwärmeübertrager geführt und damit dem in den Innenraum einströmenden Luftmassenstrom mehr Heiz- oder Kühlleistung zur Verfügung gestellt. Es entsteht somit ein zusätzlicher Heiz- oder Kühleffekt.
Das Verfahren nutzt eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur im Innenraum eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. In einer Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV). In einer anderen Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug ein Brennstoffzellenfahrzeug.
Die Vorrichtung umfasst einen Primärkreislauf mit einem Verdichter für ein Primärkreislauffluid und einen damit thermisch gekoppelten Sekundärkreislauf mit einem Innenraumwärmeübertrager und einer Pumpe zur Förderung eines Sekundärkreislauffluids. Weiterhin umfasst die Vorrichtung Mittel zur Steuerung der Drehzahl des Verdichters und der Drehzahl der Pumpe. Die Steuerung ist dafür eingerichtet, bei einer Änderung einer Innenraum-Wunschtemperatur T_des sowohl die Drehzahl n des Verdichters als auch die Drehzahl der Pumpe zu erhöhen.
In einer Ausführungsform ist das Primärkreislauffluid ein übliches Kältemittel. Beispiele geeigneter Kältemittel umfassen Propan, R134a, R1234yf, R744 und Luft. In einer weiteren Ausführungsform ist das Sekundärkreislauffluid ein Wasser und Monoethylenglykol enthaltendes Gemisch.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung der Vorrichtung. Bei einer Änderung der Innenraum-Wunschtemperatur T_des durch einen Fahrzeuginsassen werden sowohl die Drehzahl des Verdichters im Primärkreislauf als auch der Volumenstrom des Sekundärkreislauffluids durch den Innenraumwärmeübertrager, z.B. durch Steigerung der Drehzahl der Pumpe im Sekundärkreislauf, erhöht, sowohl bei einer Erhöhung als auch bei einer Verringerung der Solltemperatur T_des. Durch die Erhöhung der Verdichterdrehzahl n und des Volumenstroms V̇ im Sekundärkreislauf wird dem Innenraumwärmeübertrager schnell eine erhöhte Heiz oder Kühlleistung zur Verfügung gestellt. Dies beschleunigt die Anpassung der Temperatur im Innenraum des Fahrzeugs an den gewünschten Wert T_des und erhöht damit den Komfort. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit den Vorteil einer Erhöhung des Innenraumkomforts durch kurzfristigen Heiz- oder Kühleffekt.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Sekundärkreislaufs zur Temperaturregelung eines Fahrzeuginnenraums;
2 den zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter in einem Verfahren des Standes der Technik bei einer plötzlichen Änderung der Solltemperatur T_des;
3 den zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter in dem Verfahren bei einer plötzlichen Änderung der Solltemperatur T_des.

1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Sekundärkreislaufs zur Temperaturregelung eines Fahrzeuginnenraums. Der Sekundärkreislauf umfasst einen Innenraumwärmeübertrager 11, um die Luft auf die Soll-Innenraumtemperatur T_des aufzuheizen oder abzukühlen. Mit Hilfe der Pumpe 12 wird ein Sekundärkreisllauffluid gefördert und der Volumenstrom V̇ im Sekundärkreislauf eingestellt.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter in einem Verfahren des Standes der Technik bei einer plötzlichen Änderung der Solltemperatur T_des. Bei einer plötzlichen Erhöhung der Innenraumwunschtemperatur T_des durch den Fahrzeuginsassen, entsprechend einer Forderung nach mehr Heizleistung Q wird die Verdichterdrehzahl n in einem mit dem Sekundärkreislauf thermisch gekoppelten Primärkreislauf entsprechend erhöht. Aufgrund des zusätzlichen Wärmeübergangs und zusätzlichen Wärmeübertragungsmediums reagiert ein solches System träge. Da der Volumenstrom V im Sekundärkreislauf konstant bleibt, wird die höhere Heizleistung Q erst mit einer Verzögerung dem Innenraum zur Verfügung gestellt. Bis die Wärme beim Fahrzeuginsassen ankommt, vergeht eine entsprechende „Totzeit“, was als Komforteinschränkung wahrgenommen werden kann.
3 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter in dem Verfahren bei einer plötzlichen Änderung der Solltemperatur T_des. Bei einer plötzlichen Erhöhung der Innenraum-Wunschtemperatur T_des durch den Fahrzeuginsassen wird die Verdichterdrehzahl n in einem mit dem Sekundärkreislauf 10 thermisch gekoppelten Primärkreislauf entsprechend erhöht. Gleichzeitig wird auch die Drehzahl der Pumpe 12 im Sekundärkreislauf und damit der Volumenstrom V̇ des Sekundärkreislauffluides durch den Innenraumwärmeübertrager 11 erhöht. Dadurch wird dem in den Fahrzeuginnenraum einströmenden Luftmassenstrom mehr Heizleistung zur Verfügung gestellt. Somit kann dem Innenraum kurzfristig eine erhöhte Heizleistung zur Verfügung gestellt und der Komfort erhöht werden.
Bezugszeichenliste

10: Sekundärkreislauf
11: Innenraumwärmeübertrager
12: Pumpe
Tdes: Solltemperatur des Innenraums („Innenraum-Wunschtemperatur“)
V̇: Volumenstrom (Heiz- oder Kühlleistung)
n: Verdichterdrehzahl
Q: Wärmestrom
t: Zeit
Δt: „Totzeit“

Claims

Verfahren zur Steuerung einer einen Primärkreislauf mit einem Verdichter für ein Primärkreislauffluid, und einen mit dem Primärkreislauf thermisch gekoppelten Sekundärkreislauf (10) mit einem Innenraumwärmeübertrager (11) und einer Pumpe (12) zur Förderung eines Sekundärkreislauffluids; sowie Mittel zur Steuerung der Drehzahl des Verdichters und der Drehzahl der Pumpe (12) umfassenden Vorrichtung zur Regelung der Temperatur im Innenraum eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, worin bei einer Änderung einer Solltemperatur T_des für den Innenraum des Kraftfahrzeugs durch einen Fahrzeuginsassen sowohl die Drehzahl n des Verdichters im Primärkreislauf als auch der Volumenstrom V̇ des Sekundärkreislauffluids durch den Innenraumwärmeübertrager (11) erhöht werden, sowohl bei einer Erhöhung als auch bei einer Verringerung der Solltemperatur T_des.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Erhöhung des Volumenstroms V̇ durch Steigerung der Drehzahl der Pumpe (12) im Sekundärkreislauf (10) bewirkt wird.