CN110341417A - 控制汽车空调装置的方法和具有热泵单元的汽车空调装置 - Google Patents

控制汽车空调装置的方法和具有热泵单元的汽车空调装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制汽车的空调装置的方法，该空调装置具有配备引导制冷剂的制冷剂回路的热泵单元，其中制冷剂回路包括至少一个第一换热器、膨胀阀、压缩机、被环境空气流过的蒸发器和风机，其特征在于以下步骤：a.确定蒸发器的表面温度，b.确定环境空气的露点温度，c.借助于确定的蒸发器表面温度和确定的环境空气露点温度、确定蒸发器是否即将结冰，以及d.如果蒸发器即将结冰，采取增加蒸发器的表面温度的措施。此外描述一种空调装置，其具有设置用于实施所述方法的控制器。

Description

控制汽车空调装置的方法和具有热泵单元的汽车空调装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制汽车的空调装置的方法，该空调装置具有配备引导制冷剂的制冷剂回路的热泵单元，其中制冷剂回路包括至少一个第一换热器、膨胀阀、压缩机、被环境空气流过的蒸发器和风机，本发明还涉及一种具有热泵单元的用于汽车的空调装置，所述热泵单元具有引导制冷剂的制冷剂回路，其中制冷剂回路至少包括被环境空气流过的蒸发器、膨胀阀、压缩机和风机。
背景技术
近来，这种空调装置或这种方法越来越多地用于电动车辆中。不像具有内燃机的传统汽车那样，为了加热汽车内舱在此必须研发新的方案，因为电气化的驱动部件相比于内燃机可以非常高效地工作并且因此累积相对较少的自由可用的废热。这样积累的废热仅在一个相对于内燃机非常低的温度水平可用。出于这种原因，越来越多地使用热泵方案，其使用来自环境空气的焓来加热车辆内舱。在这种情况下，环境空气中的现有的无效能用作用于加热内舱的制冷剂的蒸发源。其结果是，外部热交换器以蒸发器的形式被强制地冷却到环境温度以下，因此这会导致冷凝的空气湿气，其然后以冰或霜层的形式沉积在热交换器上。
如果这种情况持续更长时间，则会超过临界的覆霜度(Bereifungsgrad)，并且因此空气侧的压力损失大大增加并且空气侧的能量输入显著降低。在一方面，冰或霜层会提高热阻力，为了进行流过热交换器的环境空气和热交换器之间的热交换、该热阻力自身需要被克服，在另一方面，可用的留空横截面减小，因此仅更小的空气量到达热交换器，这同样减少了热交换量。然后，结冰的外部蒸发器不再能用作加热车辆或车辆内舱的能量源。
为了解决该问题，迄今在许多情况中，在预定时间之后循环地启动利用过程反转或外部热量的除冰过程。为了通过外部热量主动除冰，通常使用电加热电阻器来加热蒸发器网。在过程反转期间，制冷循环被切换并且蒸发器作为液化器或冷凝器运行。这种主动除霜过程需要相当大的能量消耗，这会损害整个系统的效率和性能。同时，车辆内舱的加热也会受到影响，因为在除霜时，热泵不能用于加热内舱。车辆内舱的加热相应地严重受损，使得用户明显失去舒适感。为了补偿这一点，可以安装用于在除霜过程中加热的额外组件，这又会导致成本并降低系统的效率。
另一个问题是，在这样的周期性的除霜过程中存在的风险在于，即使没有出现蒸发器显著的结冰，仍然需要承受上述的缺点。
从DE 10 2011 051 285 A1已知的是，这样运行具有热泵的汽车的空调装置，即一方面在蒸发器中总是存在优选0K的轻微过热，也即全部制冷剂在这里处于气态。在另一方面推荐，环境温度和制冷剂的饱和温度之间的差保持得尽可能小，特别是小于4至6K。由于在蒸发器内有大约0K的过热，在此制冷剂的饱和温度对应蒸发器的表面温度。换句话说尝试的是，蒸发器的表面和环境空气(从环境空气中应该获取焓)之间的温度差保持得尽可能小，以便防止蒸发器结冰。这种方法一方面降低了热泵的效率，但是同时不能可靠地防止蒸发器结冰，因为过热的制冷剂的绝对温度也可能位于环境空气的露点以下。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种方法和装置，其能够借助于热泵循环来加热车辆内舱，而又不会导致所用的蒸发器结冰，同时系统的整体效率应该尽可能高。
本发明通过具有这些步骤的方法解决所述技术问题：
a.确定蒸发器的表面温度，
b.确定环境空气的露点温度，
c.借助于确定的蒸发器表面温度和确定的环境空气露点温度、确定蒸发器是否即将结冰，以及
d.如果蒸发器即将结冰，采取增加蒸发器的表面温度的措施。
以及本发明通过一种具有控制单元的用于汽车的空调装置解决，所述控制单元设置用于实施相应的方法。
根据本发明已经认识到，如果蒸发器表面的温度低于环境空气的露点温度，则蒸发器将面临结冰。通过仅在确定实际面临结冰时采取措施防止结冰，由此可以确保在对于蒸发器的结冰并不紧要的情况下不采取这样的措施。因此避免了空调装置的效率的不必要的降低。
在根据本发明的方法的有利改进方案中规定，在步骤c中，基于蒸发器的表面温度与环境空气的露点温度之间的差值来确定蒸发器是否即将结冰。两个提到的温度之间的简单差值求解是确定蒸发器结冰风险的可靠评估的最简单的方案。
还可以有利地规定的是，在确定蒸发器是否即将结冰之前，借助偏置来修正实际露点温度。换句话说，被确定的露点温度不用于后续的方法步骤，而是使用略高于确定的露点温度的露点温度。因此设定了安全裕度并且特别可靠地防止蒸发器的结冰，因为在该安全裕度下可以容忍在确定露点温度和/或确定蒸发器的表面温度时的微小的不准确性。特别地，在这种情况下就已能避免蒸发器的开始结冰，因为当蒸发器的表面温度仅到达环境空气的露点温度附近时就已经开始采取对策。因为由于所述偏置，尽管蒸发器的表面温度仍然高于露点温度，但在许多情况下就已开始采取对策，因此偏置量应该尽可能小。偏置的可能值例如是1K，2K或3K。偏置也可以依据外部温度的数值来配置。在较高的外部温度(例如0℃)下，即使略低于露点温度，也会导致相对较大的析出水量或霜，与之相反，较冷的空气通常较干燥，因此不会损失太多的水。因此，所选择的偏置应该在较高的环境空气温度下比在较低的环境空气温度下更大，因为在较低的环境空气温度时即使具有较小的偏置，也可以可靠地防止蒸发器的结冰。
适当地，环境空气的露点温度可以由环境空气的温度和环境空气的湿度确定。所需的传感器是当今大多数车辆的标准配置。可选地，也可以使用例如从线上数据库获得的参考值。
当蒸发器的表面温度由制冷剂回路中的制冷剂的压力确定时，产生确定蒸发器的表面温度的简单方法。为此所需的传感器通常也已经存在。制冷剂的压力与蒸发器的表面温度之间的关系特别是在两相区域中、即同时存在液相和气相、是非常简单的。或者，可以用其自身的温度传感器测量表面温度，或者确定制冷剂出口处的制冷剂温度，即在热交换器的出口处的温度。这大致与蒸发器的表面温度一致。
本发明的一个有利的改进方案规定，作为提高蒸发器表面温度的主要措施，增加通过蒸发器的空气质量流量。这降低了流过蒸发器的空气被冷却到低于露点温度的温度的可能性，因为在相同的温差下更大的热流被传递。
为了防止乘员的声学舒适性受损，最大空气质量流量可取决于车辆的当前行驶速度。因此可以实现的是，这样的风扇噪音在任何时候都不会令人不悦地超过现有的行驶噪音。这些行驶噪音随着行驶速度的增加而增加，因此在更高的行驶速度下，由更高的风扇速度引起的更强噪声释放将不会负面地被注意到。
特别地，当空气质量流量已经达到可能由当前行驶速度修改的最大值时，可以减少通过蒸发器的制冷剂质量流量以增加蒸发器的表面温度。因此，从旁通的空气中吸取更少的热量，从而以这种方式避免通过的空气温度下降到低于露点温度的值。通过减少流过热交换器的制冷剂质量流量，被制冷剂吸收的热流减少。结果，在其他条件相同的情况下，热交换器中的过热和/或压力水平增加，使得部件的平均表面温度增加并且低于露点温度的情况减少。
在此可以规定，为了增加蒸发器的表面温度，一部分制冷剂质量被引导流过第二蒸发器(该第二蒸发器不与环境空气相互作用)，以继续保证用于内舱调温所需的热流。
特别地，第二蒸发器可以是用于冷却车辆的牵引部件的回路的一部分，牵引部件例如是电池、发动机和电力电子设备，如其通常在电动车中存在。这种第二蒸发器通常被称为“冷却器”。如果有的话，这里也可以使用其他热源。
本发明的一个有利的改进方案规定，监测用于冷却牵引部件的回路中的冷却剂的温度梯度，并且一旦该梯度为负，则降低额定送风温度，直到再次测到正梯度。温度梯度特别是与时间相关的梯度。换句话说，监测冷却剂的温度的随时间的演变。
如果到目前为止所述措施不充分，或者为了可靠地防止结冰，必须将热泵回路的功率强制降低到车辆内舱不能再保持在期望温度的程度，则可以激活电的额外加热器。
附图说明
将参考附图和以下描述更详细地解释本发明的实施例。在附图中：
图1示出了用于执行根据本发明的方法的空调装置的示意性结构，
图2示出了用于控制空调单元的控制架构的示意图，
图3示出了根据本发明的方法的进一步简化的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于执行根据本发明的方法的空调装置2的结构。在左上区域中可以看到压缩机4，其在其右侧吸入低压和低温制冷剂，制冷剂被压缩并且在左侧(高压侧)带有更高的压力和更高的温度并再次被输出。通过第一压力/温度传感器5测量压力和温度。第一截止阀6关闭，使得来自压缩机4的制冷剂通过打开的第二截止阀7向右移动，并且然后流过在由虚线框所示的空调器8中的第一热交换器10。通过在所示状态下完全打开的第一膨胀阀12，制冷剂然后流过第二热交换器14。第二截止阀15和第三截止阀16关闭，使得制冷剂流动完全流过空调器8的第二热交换器14。在空调器8中发生在通过箭头所示的、确定用于内舱的空气17和流过热交换器10、14的制冷剂之间的热交换。相应地，制冷剂在离开第二热交换器14之后已经稍微冷却，这通过第二压力/温度传感器18记录。
在分离点20处，制冷剂流现在被分流。根据第二膨胀阀22和第三膨胀阀24的位置，可以将不同的部分质量流引导通过该装置的其他部分。因此，流过第二膨胀阀22的部分质量流在此流过(对于所述方法不是必需的)电池26，然后进入前部气体冷却器28，前部气体冷却器28又用作所述方法中的蒸发器。电池26是用于存储热能的大容量元件。在前部气体冷却器28形式的第三热交换器的入口处布置第三压力/温度传感器30。
在流过第二膨胀阀22之后处于低温水平的制冷剂在前部气体冷却器28中与流过前部气体冷却器28的环境空气32热接触。制冷剂从环境空气32吸收焓并加热。通过可选地存在的卷帘34可以影响前部气体冷却器的几何形状或打开面积。通过打开的第四截止阀36，制冷剂流到集合点38。在此其遇到流过第三膨胀阀24以及所谓的冷却器40形式的第四热交换器的制冷剂分流，并且与该制冷剂分流再次汇合成总的制冷剂质量流。此处的压力和温度再次由第四压力/温度传感器44测量。总制冷剂质量流在通过电池26之后流到压缩机4的输入端，在那第五压力/温度传感器46再次测量压力和温度。所有传感器和阀门都连接到未示出的控制单元，并被其控制。
图2示出了用于控制空调装置的控制架构的示意图。第一非线性元件NL1根据环境空气的空气湿度的输入变量以及环境空气的温度Taussen计算当前露点温度τ。通过添加若干K(开尔文)的偏置可以得出估算的露点温度τ*，其用于后续的控制。在第一计算元件M1中计算由第三非线性元件NL3基于制冷剂压力p确定的蒸发器的表面温度TOberfl和估算的露点温度τ*之间的差值。所述差值可以用于衡量所需干预的强度。如果差值为正，蒸发器的表面温度TOberfl高于估算的露点温度τ*，则无需干预。但如果差值等于零或甚至为负值，则必须增加蒸发器的表面温度TOberfl以防止蒸发器结冰。负的差值越大，则干预越强。如上所述，调节器R1相应地调节风机功率和可选的制冷剂质量流量，从而加热蒸发器的表面。第二非线性元件NL2表示调节对象。风扇转速(n)的调节参数变化与通过车辆行驶速度造成的在热交换器上的动压头相叠加作用，造成变化的动压头条件，该动压头条件体现为所测得的调节对象的输出。在那，制冷剂回路的运行参数进一步与通过适配的风机功率改变的空气质量流量相适配，使得在制冷剂回路的第二热交换器(其调节内舱空气的温度)处，能与用于阻止结冰的措施无关地获取恒定的热量。
图3示出了根据本发明的方法的进一步简化的示意图。在步骤S10中，通过前部热交换器中的空气质量流量来调节支持。受控变量是蒸发器的表面温度，参考变量是环境空气的估算的露点，调节变量是相关风机的风扇功率。在该调节变量受限的情况下，因为基于当前的行驶速度乘客在声学上不能预期更高的风扇速度，所以在步骤S20中进入车辆内舱的调温后空气的送风温度被降低，以作为进一步增加的蒸发器的表面温度的措施。在此，受控变量再次是蒸发器的表面温度，参考变量同样是环境空气的估算露点温度，调节变量则是通向车辆内部的额定送风温度。
一旦用于风扇速度的调节变量的限制不再有效，则可以在步骤S30继续并且再次提高送风温度。受控变量、参考变量和调节变量对应于步骤S20中的各个变量。一旦风扇的调节变量限制和送风温度的降低都没有激活，则再次可以进入步骤S10。如果与之相反地，用于风扇速度的调节变量限制被重新激活(例如因为汽车的车速减小)，则步骤S30之后又进入步骤S20。
附图标记清单
2 空调装置
4 压缩机
5 第一压力/温度传感器
6 第一截止阀
7 第二截止阀
8 空调器
10 第一热交换器
12 第一膨胀阀
14 第二热交换器
15 第二截止阀
16 第三截止阀
17 空气
18 第二压力/温度传感器
20 分流点
22 第二膨胀阀
24 第三膨胀阀
26 电池
28 前部气体冷却器
30 第三压力/温度传感器
32 环境空气
34 卷帘
36 第四截止阀
38 集合点
40 冷却器
42 热流
44 第四压力/温度传感器
46 第五压力/温度传感器
48 附加加热器
NL1 第一非线性元件
NL2 第二非线性元件
NL3 第三非线性元件
M1 第一计算元件
R1 第一控制器
空气湿度
Taussen 环境空气的温度
τ 露点温度
τ* 加权露点温度
n 风扇转速
v 汽车的车速
p 制冷剂的压力
TOberfl 蒸发器的表面温度

Claims (10)

1.一种用于控制汽车的空调装置(2)的方法，该空调装置具有配备引导制冷剂的制冷剂回路的热泵单元，其中制冷剂回路包括至少一个第一换热器(10)、膨胀阀(12,22,24)、压缩机(4)、被环境空气流过的蒸发器(28)和风机，其特征在于以下步骤：
a.确定蒸发器的表面温度TOberfl，
b.确定环境空气的露点温度τ，
c.借助于确定的蒸发器表面温度TOberfl和确定的环境空气露点温度τ、确定蒸发器(28)是否即将结冰，以及
d.如果蒸发器(28)即将结冰，采取增加蒸发器(28)的表面温度TOberfl的措施。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c中基于蒸发器(28)的表面温度TOberfl与环境空气的露点温度τ之间的差值来确定蒸发器(28)是否即将结冰。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在确定蒸发器(28)是否即将结冰之前，借助偏置来修正实际露点温度τ。
4.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，利用制冷剂回路中的制冷剂的压力p来确定蒸发器的表面温度TOberfl。
5.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，作为提高蒸发器(28)的表面温度TOberfl的主要措施，增加流过蒸发器(28)的空气质量流量(17)。
6.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，减少通过蒸发器(28)的制冷剂质量流量以增加蒸发器(28)的表面温度TOberfl。
7.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，为了增加蒸发器(28)的表面温度TOberfl，制冷剂质量流量的一部分被引导流过第二蒸发器(40)，该第二蒸发器不与环境空气(17)相互作用。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，第二蒸发器(40)是用于冷却车辆的牵引部件的回路的一部分。
9.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，监测用于冷却牵引部件的回路中的冷却剂的温度梯度，并且一旦该温度梯度为负，则降低额定送风温度，直到再次测到正的温度梯度。
10.一种用于汽车的空调装置(2)，其具有热泵单元，该热泵单元具有引导制冷剂的制冷剂回路，其中制冷剂回路包括至少一个被环境空气流过的蒸发器(28)、膨胀阀(12,22,24)、压缩机(4)和风机，其特征在于，空调装置具有控制单元，所述控制单元设置用于实施按照前述权利要求之一所述的方法。
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