AT528571B1 - Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug - Google Patents

Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug

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AT528571B1 ATA50703/2024A AT507032024A AT528571B1 AT 528571 B1 AT528571 B1 AT 528571B1 AT 507032024 A AT507032024 A AT 507032024A AT 528571 B1 AT528571 B1 AT 528571B1
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Abstract

Mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelte Kältemittelkreisläufe für Fahrzeuge sind bekannt. Der Kältemittelkreislauf (10) weist einen ersten Kältemittelzweig (12) mit Verdichter (16), Kondensator (18) mit Lüfter (20), Trockner (22), thermostatischem Expansionsventil (28) und Verdampfer (30), der dazu dient, Wärme aus einem Innenraum (31) des Fahrzeugs zu entfernen, und einen zweiten Kältemittelzweig (14) auf, der strömungstechnisch parallel zum thermostatischen Expansionsventil (28) und dem Verdampfer (30) angeordnet ist und in dem ein Expansionsventil (34) und ein Kühler (36) angeordnet sind, wobei der Kühler (36) in Wärmeaustausch mit einem Kühlmittelkreislauf (38) steht, in dem neben dem Kühler (36) zumindest ein Batteriekühler (40) für die Batterie (42) des Fahrzeugs und eine Kühlmittelpumpe (44) angeordnet sind. Für einen solchen kombinierten Kühlmittel- und Kältemittelkreislauf wird ein Regelungsverfahren vorgeschlagen, bei dem eine Kühlleistung des Kühlers (36) über zumindest einen ersten Regelkreis (58) und eine Kühlleistung des Verdampfers (30) über zumindest einen zweiten Regelkreis (60) geregelt werden, wobei eine Priorisierung der Kühlleistung am Kühler (36) aktiviert wird, wenn der Verdichter (16) eine definierte maximale Geschwindigkeit oder eine definierte maximal zulässige elektrische Leistung erreicht, oder der Druck vor dem Verdichter (16) oder hinter dem Kühler (36) einen definierten minimal zulässigen Druck unterschreitet, oder der Druck hinter dem Verdichter (16) einen definierten maximal zulässigen Druck überschreitet.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR REGELUNG EINES MIT EINEM KÜHLMITTELKREISLAUF GEKOPPELTEN KÄLTEMITTELKREISLAUFS FÜR EIN FAHRZEUG
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf, der einen ersten Kältemittelzweig und einen zweiten Kältemittelzweig aufweist, wobei in dem ersten Kältemittelzweig zumindest ein Verdichter, ein Kondensator, ein Trockner, ein thermostatisches Expansionsventil und ein Verdampfer, der dazu dient Wärme aus einem Innenraum des Fahrzeugs zu entfernen, angeordnet sind und in dem zweiten Kältemittelzweig, der strömungstechnisch parallel zum thermostatischen Expansionsventil und dem Verdampfer angeordnet ist, und ein Expansionsventil und ein Kühler angeordnet sind, wobei der Kühler in Wärmeaustausch mit einem Kühlmittelkreislauf steht, in dem neben dem Kühler zumindest ein Batteriekühler zur Kühlung einer Batterie des Fahrzeugs und eine Kühlmittelpumpe angeordnet sind.
[0002] Derartige kombinierte Kälte- und Kühlmittelkreisläufe, die auch als Thermomanagementsysteme bekannt sind, werden insbesondere in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen verwendet, bei denen es neben der Klimatisierung des Innenraums des Fahrzeugs notwendig ist, die Temperatur der Batterie auf ein möglichst konstantes Niveau zwischen etwa 15°C und 40°C zu regeln, wodurch einerseits die Lebensdauer der Batterie erhöht wird und andererseits die volle Leistung der Batterie genutzt werden kann, wodurch mit einer Batterieladung größere Entfernungen zurückgelegt werden können. Bei zu niedrigen Temperaturen kann das Kühlmittel, welches auch aus dielektrischem Öl als Kühlmittel bestehen kann, und über welches die Batterie gekühlt wird, über einen Hochvolt-Zuheizer erwärmt werden. Bei zu hohen Temperaturen wird es über einen Kühler, der sowohl im Kühlmittelkreislauf als auch im Kältemittelkreislauf eingebunden ist, heruntergekühlt. Dabei durchströmt das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs. Die gesamte Regelung erfolgt über eine Steuerung mittels verschiedener Regelorgane, wie Ventile und Pumpen sowie in Abhängigkeit von zu messenden Sensorwerten. Benötigt werden hier im Kältemittelkreislauf insbesondere Sensoren zur Messung des Verdichterauslassdrucks, des Kühlerauslassdrucks sowie der Temperatur hinter dem Kühler und im Kühlmittelkreislauf ein Temperatursensor am Einlass zum Batteriekühler. Ein Beispiel für ein solches Thermomanagementsystem zeigt die US 2016/0339760 A1.
[0003] Es sind verschiedene Regelstrategien bekannt geworden, in denen jeweils versucht wird, eine ausreichende Kabinenkühlung zur Verfügung zu stellen als auch die Soll-Temperatur der Batterie sicherzustellen.
[0004] So wird in der DE 10 2019 107 192 A1 ein Steuerungssystem für ein Wärmemanagementsystem eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Wärmemanagementsystems offenbart, bei dem bei gleichzeitiger Anforderung einer Kühlung der Batterie und einer Klimatisierung des Innenraums des Fahrzeugs ein Verdichter des Kältekreislaufs mit einer Regelgröße geregelt wird, welche eine Soll-Lufttemperatur am Klima-Verdampfer ist, und ein Expansionsventil abhängig von der Regelgröße für den Verdichter angesteuert wird. Die Kühlung des Hochvoltspeichers erfolgt somit zusätzlich abhängig von der Lufttemperatur derart, wobei eine optimale Innenraumkühlung gewährleistet bleibt. Entsprechend wird eine Innenraumkühlung bei dieser Regelung immer priorisiert, es sei denn die Batterie erreicht eine zulässige Maximaltemperatur. Eine vergleichbare Lösung zeigen auch DE 10 2017 122 818 A1 oder CN 113858910 A.
[0005] Nachteilig an einer solchen Regelungsstrategie ist jedoch, dass über den gesamten Zeitraum immer eine Priorisierung einer der Regelkreise erfolgt, wodurch die Regelung über den gesamten Zeitraum sehr aufwendig wird. Des Weiteren kann es unter bestimmten Bedingungen vorkommen, dass der Regler des Expansionsventils und der Regler des Verdichters das gleiche Ziel anstreben, nämlich die Regelung der Verdampferlufttemperatur, was zu Instabilitätsproblemen führen kann. Des Weiteren wird keine Regelung zur Verfügung gestellt, mit der der Wirkungsgrad des Kühlers optimiert wird.
[0006] Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Priorisierung lediglich in eingeschränkten Zeiträumen erfolgt, um den Regelungsaufwand zu verhindern. Des Weiteren sollen Instabilitäten der Regelkreise vermieden werden und eine möglichst gute Kühlleistung zur Verfügung gestellt werden.
[0007] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
[0008] Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Steuerung eines kombinierten Kältemittelund Kühlmittelkreislaufs für ein Fahrzeug, wobei der Kältemittelkreislauf einen ersten Kältemittelzweig und einen zweiten Kältemittelzweig aufweist, wobei in dem ersten Kältemittelzweig zumindest ein Verdichter, ein Kondensator mit einem Lüfter, ein Trockner, ein thermostatisches Expansionsventil und ein Verdampfer, der dazu dient Wärme aus einem Innenraum des Fahrzeugs zu entfernen, angeordnet sind und in dem zweiten Kältemittelzweig, der strömungstechnisch parallel zum thermostatischen Expansionsventil und dem Verdampfer angeordnet ist, ein Expansionsventil und ein Kühler angeordnet sind, wobei der Kühler im Wärmeaustausch mit dem Kühlmittelkreislauf steht, in dem neben dem Kühler zumindest ein Batteriekühler zur Kühlung einer Batterie des Fahrzeugs und eine Kühlmittelpbumpe angeordnet sind. Zusätzlich weist der Kältemittelkreislauf zumeist ein vor dem thermischen Expansionsventil angeordnetes Elektromagnetventil auf, welches als Schaltventil ausgebildet ist. Der Kühlkreislauf ist üblicherweise als Niedertemperaturkreislauf ausgebildet, in dem als Sensor zumindest ein Temperatursensor zur Messung der Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Batteriekühler angeordnet ist. Weitere Sensoren sind im Kältemittelkreislauf zur Messung des Drucks und der Temperatur stromabwärts des Kühlers sowie zur Messung des Drucks am Verdichterauslass oder am Verflüssigerauslass angeordnet. Selbstverständlich können weitere Sensoren vorgesehen werden. Auch kann insbesondere der Kühlkreislauf eine Vielzahl zusätzlicher Komponenten enthalten.
[0009] Erfindungsgemäß wird eine Kühlleistung des Kühlers über zumindest einen ersten Regelkreis und eine Kühlleistung des Verdampfers über zumindest einen zweiten Regelkreis geregelt. Dies erfolgt somit weitestgehend unabhängig voneinander, ohne dass eine Priorisierung vorgesehen wird. Eine solche Priorisierung der Kühlleistung am Kühler wird erst dann aktiviert, wenn der Verdichter eine definierte maximale Drehzahl oder eine definierte maximal zulässige elektrische Leistung erreicht, oder der Druck vor dem Verdichter oder hinter dem Kühler einen definierten minimal zulässigen Druck unterschreitet, oder der Druck hinter dem Verdichter einen definierten maximal zulässigen Druck überschreitet. Durch die genannten Bedingungen wird sichergestellt, dass eine Priorisierung nur erfolgt, wenn der Kältemittelkreislauf überlastet ist, also nicht ausreichend Energie zur Verfügung gestellt werden kann, um sowohl die Kabinenklimatisierung als auch die Batteriekühlung entsprechend der vorgegebenen Regelungen einhalten zu können. Dies vereinfacht die erforderlichen Regelungen und verhindert, dass zwei Regler in Abhängigkeit des gleichen Regelwertes gegeneinander arbeiten. So wird eine zuverlässige Regelstrategie zur Verfügung gestellt, durch die sowohl eine ausreichende Kühlung der Batterie als auch des Innenraums sichergestellt wird. Die genannten definierten maximal und minimal zulässigen Werte sind dabei Schwellwerte, welche entweder den gemäß Auslegung der Aggregate maximal oder minimal zulässigen Werte entsprechen oder in deren Nähe angeordnet sind.
[0010] Vorzugsweise wird die Priorisierung im ersten Regelkreis durchgeführt, und zwar in Abhängigkeit von zumindest einem ersten Kennfeld, bei dem als Eingangswert die aktuell gemessene maximale Batteriezellentemperatur dient, und zumindest einem zweiten Kennfeld, bei dem als Eingangswert eine Differenz zwischen der aktuellen Verdampferluftauslasstemperatur und der Soll-Verdampferluftauslasstemperatur dient. So können über entsprechende Kalibrierungen verschiedene Lastzustände des Fahrzeugs und Prioritätsstrategien zur Regelung verwendet werden. So kann das von der Differenz der Verdampferluftauslasstemperaturen abhängige Kennfeld so kalibriert werden, dass es zu einer geringeren Öffnung des Expansionsventils führt und somit mehr Kühlleistung für die Innenraumkühlung zur Verfügung steht. Das von der maximalen Zellentemperatur der Batterie abhängige Kennfeld kann gleichzeitig so kalibriert werden, dass je
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höher die Batteriezellentemperatur ist, das Expansionsventil stärker geöffnet wird, um mehr Kühlleistung für die Batteriekühlung zu erhalten. Entsprechend können in Abhängigkeit einer Uberlastung des Systems unterschiedliche Regelstrategien genutzt werden.
[0011] In einer weiterführenden Ausführungsform erfolgt die Priorisierung im ersten Regelkreis, in welchem eine Stellung des Expansionsventils vor dem Kühler geregelt wird, indem ein Versatz einer geregelten Überhitzungstemperatur durchgeführt wird. Dieser Versatz findet entsprechend nur statt, wenn eine Überlastung des Systems zu erwarten ist. Dabei wird lediglich die Öffnung des Expansionsventils durch einen entsprechenden Versatz (off-set) korrigiert, um eine Überlastung des Systems zu vermeiden und andererseits eine ausreichende Kühlung insbesondere der Batterie sicherstellen zu können.
[0012] In einer wiederum vorteilhaften Weiterbildung weist der erste Regelkreis eine äußere Regelschleife auf, in der der Versatz der geregelten Überhitzungstemperatur durchgeführt wird, und die einen ersten Pl-Regler aufweist, und eine innere Regelschleife mit einem zweiten Pl-Regler auf, wobei über den ersten Pl-Regler eine Soll-Überhitzungstemperatur in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der Soll-Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Batteriekühler und der IstEintrittstemperatur des Kühlmittels in den Batteriekühler geregelt wird, welche durch eine minimal zulässige Überhitzungstemperatur begrenzt ist, bei der das Kältemittel am Auslass des Kühlers im vollständig gasförmigen Zustand vorliegt und über den zweiten PIl-Regler eine Öffnung des Expansionsventils vor dem Kühler in Abhängigkeit der Differenz zwischen einer Ziel-Überhitzungstemperatur am Auslass des Kühlers und der Ist- Überhitzungstemperatur am Auslass des Kühlers geregelt wird. Durch diese Kaskadenschaltung der beiden Pl-Regler wird in der äußeren Regelschleife sichergestellt, dass die angestrebte Batterieeintrittstemperatur erreicht wird und in der inneren Regelschleife sichergestellt wird, dass die angestrebte Überhitzungstemperatur am Ausgang des Kühlers erreicht wird. Dabei weist die äußere Schleife den Überhitzungsversatz auf, über den eine der Kühlleistungen priorisiert wird, falls die Kapazitätsgrenze des Systems erreicht wird.
[0013] In einer weiterführenden Ausführungsform des Verfahrens wird hinter dem ersten PlI-Regler im äußeren Regelkreis der Versatz der geregelten Überhitzungstemperatur durchgeführt, über welchen die im äußeren Regelkreis ermittelte Soll-Überhitzungstemperatur bei Aktivierung der Priorisierung durch Summierung in einem Summationsglied mit dem ermittelten Versatz der Überhitzungstemperatur auf die Ziel-Überhitzungstemperatur korrigiert wird, die als Eingang des inneren Regelkreises dient. Bei einer hohen Batteriekühlereintrittstemperatur wird so über den PI-Regler der inneren Regelschleife das Expansionsventil immer geöffnet, bis die minimal zulässige Überhitzungstemperatur erreicht ist, während der äußere Pl-Regler inaktiv ist, da in diesem Zustand die Soll-Überhitzungstemperatur immer durch seine minimal zulässige Überhitzungstemperatur begrenzt ist. Erst bei Annäherung der Batteriekühlereintrittstemperatur an ihren Zielwert wird die Zielüberhitzungstemperatur ansteigen und somit das Expansionsventil über den zweiten PI-Regler gegebenenfalls weiter geschlossen. Durch den Überhitzungsversatz wird die Erhöhung der Überhitzungstemperatur durch das Summationsglied verschoben, so dass in diesem Fall über einen längeren Zeitraum das Expansionsventil in seiner vollständig geöffneten Position verbleibt.
[0014] Vorzugsweise wird der Versatz der geregelten Überhitzungstemperatur in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der maximal zulässigen Verdichtergeschwindigkeit und der geforderten Verdichtergeschwindigkeit, einer Differenz zwischen der maximal zulässigen Leistungsaufnahme des Verdichters und der Ist-Leistungsaufnahme des Verdichters, einer Differenz zwischen dem maximal zulässigen Verdichterauslassdruck und dem Ist-Verdichterauslassdruck, oder einer Differenz zwischen dem Ist-Kühlerauslassdruck und dem minimal zulässigen Kühlerauslassdruck, oder einer Differenz zwischen dem Ist-Verdichtereinlassdruck und dem minimal zulässigen Verdichtereinlassdruck, geregelt. Dies bedeutet, dass die Größe dieses Überhitzungstemperaturversatzes immer auch von diesen Differenzen und somit vom Abstand zu den entsprechenden kritischen Daten abhängt, wodurch ein sanfter Übergang bei der Regelung erreicht wird.
[0015] Dies erfolgt vorteilhafterweise, indem in Abhängigkeit der Größe der Differenzen zu jeder der ermittelten Differenzen in je einem kalibrierbaren Regelglied mit Hysterese ein Faktor zwi-
schen 0 und 1 ermittelt wird, wobei der maximale ermittelte Faktor als ein erster Berichtigungsfaktor zur Berechnung des Versatzes der Überhitzungstemperatur verwendet wird. Durch ein solches Regelglied mit Hysterese werden entsprechend auch Faktoren zwischen 0 und 1 zugeordnet, so dass dieser Faktor abhängig ist vom Abstand des tatsächlichen Wertes von dem definierten Schwellwert. So erfolgt ein erhöhter Versatz immer in Abhängigkeit des kritischsten Wertes und in einer Größe die proportional zu der Kritikalität dieses Wertes ist.
[0016] Über das zweite Kennfeld wird vorzugsweise ein Vor-Überhitzungstemperaturversatz ermittelt, der über einen zweiten Berichtigungsfaktor zwischen 0 und 1, der über das erste Kennfeld ermittelt wird, und über den ersten Berichtigungsfaktor durch Multiplikation korrigiert wird. Daraus folgt, dass die Größe des Überhitzungstemperaturversatzes zunächst zwar von der Differenz der aktuellen Verdampferlufttemperatur und der Soll-Verdampfertemperatur abhängig ist, jedoch durch die entsprechenden anderen Zustände, insbesondere der Batteriezellentemperatur korrigiert wird, so dass bei hoher Batteriezellentemperatur dieser Versatz und damit die Verschiebung des Öffnungszeitpunktes weiter hinausgezögert wird als bei niedrigeren Batteriezellentemperaturen. Wenn sich entsprechend einer der genannten Parameter seinem Grenzwert nähert oder dieser erreicht wird, wird der Faktor zwischen 0 und 1 rampenförmig erhöht, so dass die Priorisierung der Kühlung, die sich im Überhitzungsausgleich widerspiegelt, reibungslos mit dem rampenförmigen Wert aktiviert und verstärkt wird.
[0017] Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere erste Kennfelder und mehrere zweite Kennfelder hinterlegt sind, welche in Abhängigkeit eines Lastzustandes des Fahrzeugs verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich, für einen Ladezustand des Fahrzeugs eine andere Korrektur zu hinterlegen, bei der insbesondere die Kühlleistung für die Batterie zusätzlich priorisiert wird. Auch weitere Lastzustände des Fahrzeugs sind denkbar, zu denen weitere Kennfelder hinterlegt werden.
[0018] Des Weiteren werden vorzugsweise die Regelwerte des ersten Pl-Reglers der äußeren Regelschleife und des zweiten Pl-Reglers der inneren Regelschleife jeweils durch ein Minimumund Maximum-Begrenzungsglied begrenzt. So wird ein Steuern des Expansionsventils auf nicht anfahrbare Positionen ebenso verhindert, wie eine Unterschreitung der minimal zulässigen Überhitzungstemperatur, durch welche das Kältemittel in einem teilweise flüssigen Zustand zum Verdichter gelangen könnte.
[0019] In einer weiterführenden bevorzugten Ausbildung wird in der äußeren Regelschleife hinter dem Summationsglied eine Steigungsbegrenzung über ein erstes Steigungsbegrenzungsregelglied durchgeführt und in der inneren Regelschleife hinter dem Minimum-Maximum-Begrenzungsglied eine Steigungsbegrenzung über ein zweites Steigungsbegrenzungsregelglied durchgeführt. Auf diese Weise wird ein Übersteuern durch plötzliche Änderungen zuverlässig verhindert.
[0020] Vorzugsweise wird im zweiten Regelkreis eine Geschwindigkeit des Verdichters in Abhängigkeit der Differenz zwischen der Solltemperatur der Austrittsluft am Verdampfer und der IstTemperatur der Austrittsluft am Verdampfer über einen dritten Pl-Regler geregelt, um die SollVerdampferlufttemperatur zu erreichen. So wird erreicht, dass je höher die Ist-Temperatur der Verdampferluft im Vergleich zum Sollwert ist, sich die Geschwindigkeit des Verdichters erhöht. Entsprechend wird in kurzer Zeit die geforderte Temperatur am Verdampfer erreicht.
[0021] Um sicherzustellen, dass das Kältemittelsystem nicht durch den über den Verdichter erzeugten Druck überlastet wird, wird die über den dritten Pl-Regler ermittelte Geschwindigkeit des Verdichters reduziert, falls der Druck am Auslass des Verdichters einen definierten Schwellwert übersteigt oder der Druck am Auslass des Kühlers einen definierten Grenzwert unterschreitet.
[0022] Diese erfolgt, indem zur Reduzierung der Geschwindigkeit des Verdichters die über den PI-Regler ermittelte Geschwindigkeit mit einem Faktor zwischen 0 und 1 multipliziert wird, welcher durch den kleineren der beiden Faktoren gebildet wird, die durch ein hinterlegtes drittes und ein viertes Kennfeld in Abhängigkeit des Drucks am Auslass des Verdichters und des Drucks am Auslass des Kühlers ermittelt werden. Die Reduzierung erfolgt somit immer in Abhängigkeit des
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kritischeren Werts. Dies kann in Abhängigkeit der hinterlegten Kennfelder erfolgen.
[0023] Vorzugsweise wird in einem dritten Regelkreis eine Geschwindigkeit des Lüfters am Kondensator in Abhängigkeit eines Auslassdrucks des Verdichters und einer Fahrzeuggeschwindigkeit geregelt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine möglichst vollständige Kondensation auch bei großen geförderten Kältemittelmengen erreicht wird. Durch die fahrzeuggeschwindigkeitsabhängige Regelung wird der durch die Fahrzeuggeschwindigkeit erzeugte Luftstrom, der ohne Drehung des Lüfters zur Verfügung steht, ebenfalls berücksichtigt, wodurch der zur Verfügung stehende Luftstrom und somit die Kondensatorausgangstemperatur zuverlässig geregelt werden können.
[0024] Die Regelung erfolgt vorzugsweise über ein fünftes Kennfeld, über das in Abhängigkeit des Auslassdrucks des Verdichters ein Soll-Luftstrom ermittelt wird, von dem ein über ein sechstes Kennfeld ermittelter Luftstrom in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit subtrahiert wird, wodurch ein Soll-Förderluftstrom des Lüfters ermittelt wird, aus dem über ein siebtes Kennfeld die Geschwindigkeit des Lüfters ermittelt wird. So kann die Regelung des Kühllüfters in Abhängigkeit der Kundenwünsche kalibriert werden. Des Weiteren wird eine sehr einfache unabhängige Regelung geschaffen.
[0025] Vorzugsweise werden die ermittelten Geschwindigkeiten des Lüfters und des Verdichters durch ein Minimum-Maximum Begrenzungsglied und durch ein Steigungsbegrenzungsregelglied eingeschränkt. So wird sichergestellt, dass die Motoren des Verdichters und des Lüfters innerhalb ihrer Auslegungsgrenzen betrieben werden, was deren Lebensdauer erhöht.
[0026] Es wird somit ein Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug geschaffen, mit der eine weitestgehend unabhängige Regelung der Batteriekühlung und der Verdampferkühlung realisiert wird, welche lediglich bei Auftreten kritischer Zustände priorisiert wird. Konflikte in den Regelkreisen werden ausgeschlossen. Zusätzlich sind die vorhandenen Regelungen kalibrierbar und somit an die jeweiligen Bedürfnisse anzupassen. Eine Überbelastung aller vorhandenen Komponenten wird zuverlässig ausgeschlossen und dennoch alle Kühlerfordernisse zuverlässig erreicht.
[0027] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden, beispielhaft dargestellten kombinierten Kältemittel- und Kühlmittelkreislaufs für ein Fahrzeug beschrieben. Darin zeigen
[0028] Figur 1 einen kombinierten Kältemittel- und Kühlmittelkreislauf für ein Fahrzeug in schematischer Darstellung;
[0029] Figur 2 einen erfindungsgemäßen ersten Regelkreis zur Regelung eines Expansionsventils des kombinierten Kältemittel- und Kühlmittelkreislaufs aus Figur 1;
[0030] Figur 3 einen zweiten erfindungsgemäßen Regelkreis zur Regelung eines Verdichters des kombinierten Kältemittel- und Kühlmittelkreislaufs aus Figur 1; und
[0031] Figur 4 einen dritten erfindungsgemäßen Regelkreis zur Regelung eines Lüfters des kombinierten Kältemittel- und Kühlmittelkreislaufs aus Figur 1.
[0032] Der in der Figur 1 dargestellte kombinierte Kältemittel- und Kühlmittelkreislauf besteht aus einem Kältemittelkreislauf 10, der einen ersten Kältemittelzweig 12 und einen zweiten Kältemittelzweig 14 aufweist. Im Kältemittelkreislauf 10 ist ein Verdichter 16 angeordnet, über den gasförmiges Kältemittel verdichtet und erwärmt wird. Das Kältemittel gelangt von hier in einen Kondensator 18, in welchem es vollständig in den flüssigen Zustand überführt wird. Hierzu wird ein Lüfter 20 verwendet, durch welchen ein Luftstrom erzeugt wird, der zusätzlich zum durch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs am Kondensator erzeugten Luftstrom entlang des Kondensators 18 strömt und durch den das Kältemittel im Kondensator 18 gekühlt wird. Das Kältemittel gelangt weiter zu einem Trockner 22, der zumeist als Filtertrockner ausgebildet ist und in dem Feuchtigkeit und feste Partikel aus dem Kältemittel entfernt werden.
[0033] Im Folgenden strömt das flüssige Kältemittel zu einer Verzweigung 24, an der es sich in den ersten Kältemittelzweig 12 und den zweiten Kältemittelzweig 14 aufteilen kann. Im ersten
Kältemittelzweig 12 gelangt das Kältemittel zu einem elektromagnetischen Schaltventil 26, mittels dessen dieser erste Kältemittelzweig 12 geschlossen oder geöffnet werden kann. Von hier aus strömt das Kältemittel zu einem thermostatischen Expansionsventil 28, welches üblicherweise in Abhängigkeit einer am Auslass eines folgenden Verdampfers 30 gemessenen Temperatur sowie eines am Auslass des Verdampfers 30 gemessenen Drucks gesteuert wird. Die gewünschte Überhitzung am Verdampfer 30 wird vorgewählt. Am Verdampfer 30 wird der Umgebungsluft Wärme entzogen, wodurch das Kältemittel in den dampfförmigen Zustand übergeht und ein Innenraum 31 des Fahrzeugs gekühlt wird. Anschließend strömt das Kältemittel über eine zweite Verzweigung 32, an der es sich wieder mit dem Kältemittel des zweiten Kältemittelzweiges 14 vereint, zurück zum Verdichter 16.
[0034] Im zweiten Kältemittelzweig 14, der strömungstechnisch parallel zum ersten Kältemittelzweig 12 und damit zum Verdampfer 30, dem thermostatischen Expansionsventil 28 und dem elektromagnetischen Schaltventil 26 angeordnet ist, befindet sich eine regelbares Expansionsventil 34, welches in Abhängigkeit der Stellung seines Regelkörpers einen weiterführenden im Expansionsventil üblicherweise zerstäubten Kältemittelstrom regelt, der zu einem Kühler 36 gelangt. In diesem Kühler 36 wird einem Kühlmittel aus einem Kühlmittelkreislauf 38 Wärme entzogen und dem Kältemittel zugeführt, wodurch dieses verdampft. Anschließend gelangt das Kältemittel zu der zweiten Verzweigung 32 und von hier aus mit dem Kältemittel aus dem ersten Kältemittelzweig 12 zurück zum Verdichter 16.
[0035] Das abgekühlte Kühlmittel aus dem Kühler 36 strömt im Folgenden im Kühlmittelkreislauf 38 zu einem Batteriekühler 40 einer Batterie 42, die durch das Kühlmittel gekühlt wird. Eine Förderung des Kühlmittels erfolgt über eine stromabwärts des Batteriekühlers 40 angeordnete Kühlmittelpbumpe 44. Diese Kühlmittelkreisläufe 38 können unterschiedlich ausgebildet werden und verschiedene zusätzliche Komponenten und Verzeigungen aufweisen, wobei hier auf eine weitere Beschreibung verzichtet wird, da diese für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich sind.
[90036] Zur Regelung des Kältemittelkreislaufs 10 und des Kühlmittelkreislaufs 38 sind im Kühlmittelkreislauf 38 ein Temperatursensor 45 zur Messung der Temperatur des Kühlmittels am Einlass des Batteriekühlers 40 und ein beziehungsweise mehrere Batteriezellentemperatursensoren 46 zur Messung der Batteriezellentemperatur angeordnet.
[90037] Im Kältemittelkreislauf 10 sind stromabwärts des Kühlers 36 ein Drucksensor 48 sowie ein weiterer Temperatursensor 50 angeordnet. Ein zusätzlicher Drucksensor 52 befindet sich am Auslass des Verdichters 16, an dem auch ein Stromsensor 54 ausgebildet ist. Über einen weiteren Temperatursensor 56 wird die Lufttemperatur unmittelbar hinter dem Verdampfer 30 gemessen.
[0038] Die Regelung des Kältemittelkreislaufs 10 erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über drei getrennte Regelkreise 58, 60, 62, wobei über den ersten Regelkreis 58 eine Kühlleistung am Kühler 36 durch Regelung des Expansionsventils 34 geregelt wird, über den zweiten Regelkreis 60 die Kühlleistung des Verdampfers 30 durch Regelung der Geschwindigkeit des Verdichters 16 geregelt wird und über den dritten Regelkreis 62 der Lüfter 20 am Kondensator 18 geregelt wird.
[0039] Der erste Regelkreis 58 ist in der Figur 2 dargestellt. Als Eingangswerte einer äußeren Regelschleife 64 dieses ersten Regelkreises 58 dienen eine Soll-Temperatur am Einlass des Batteriekühlers 40 („Target battery inlet temperature“) und eine über den Temperatursensor 45 gemessene Temperatur („Actual battery inlet temperature“). Eine Differenz dieser beiden Temperaturwerte wird einem ersten Pl-Regler 66 zugeführt, der aus dieser Differenz eine vorläufige Zielüberhitzungstemperatur („Target superheat“) am Kühler 36 ableitet. Das Ergebnis wird einem Minimum-Maximum-Begrenzungsglied 68 zugeführt, durch welches sichergestellt wird, dass eine zulässige minimale Überhitzungstemperatur nicht unterschritten wird und eine maximal zulässige Überhitzungstemperatur nicht überschritten wird. Die daraus folgende ermittelte Überhitzungstemperatur wird einem Summationsglied 70 zugeführt, an welchem als zweiter Eingangswert ein geregelter Überhitzungstemperaturversatz addiert wird.
[0040] Dieser Überhitzungstemperaturversatz entsteht jedoch erfindungsgemäß nur dann, wenn der Verdichter 16 eine definierte maximale Drehzahl oder eine definierte maximal zulässige elektrische Leistung erreicht oder der Druck vor dem Verdichter 16 oder hinter dem Kühler 36 einen definierten minimal zulässigen Druck unterschreitet oder der Druck hinter dem Verdichter 16 einen definierten maximal zulässigen Druck überschreitet und führt zu einer Priorisierung der Kühlleistung am Kühler 36, wie im Folgenden beschrieben wird.
[0041] Um dies zu realisieren, wird eine Versatzreglerschleife 7/1 verwendet, bei der in einem ersten Differenzglied 72 die definierte maximale Geschwindigkeit des Verdichters 16 („Compressor max speed“) mit der aktuell geregelten Verdichtergeschwindigkeit („Compressor speed request“) durch Differenzbildung verglichen wird. Diese Differenz wird einem Kalibrierfaktorkennfeld 73 mit Hysterese zugeführt, über das in Abhängigkeit der Größe ein Faktor zwischen 0 und 1 bestimmt wird, wobei der Wert 0 gilt, wenn das System weit von einem Grenzwert entfernt ist, die Differenz somit sehr groß ist und der Wert 1 gilt, wenn einer der Systemgrenzwerte erreicht ist, also die Differenz sich dem Wert 0 nähert. Differenzen, welche zwischen dem Auslösungswert der Rampe und der Differenz 0 liegen, ergeben Werte zwischen der 0 und der 1 entsprechend der hinterlegten Rampe und der Hysterese.
[0042] In gleicher Weise wird über ein zweites Differenzglied 74 mit nachfolgendem Kalibrierkennfeld 75 mit Hysterese ein Faktor zwischen 0 und 1 zu einer Differenz zwischen der maximal zulässigen elektrischen Leistungsaufnahme des Verdichters 16 („Compressor max allowed electrical power“) und der über den Stromsensor 54 gemessenen elektrischen Ist-Leistungsaufnahme („Compressor actual electrical power“), und über drittes Differenzglied 76 mit nachfolgendem Kalibrierkennfeld 77 mit Hysterese ein Faktor zwischen 0 und 1 zu einer Differenz zwischen dem maximal zulässigen Druck am Auslass des Verdichters 16 („Compressor outlet pressure limit“) und dem über den Drucksensor 52 gemessenen Ist-Verdichterauslassdruck („Actual compressor outlet pressure“) ermittelt.
[0043] Über ein viertes Differenzglied 78 mit nachfolgendem Kalibrierkennfeld 79 mit Hysterese ein Faktor zwischen 0 und 1 zu einer Differenz zwischen dem über den Drucksensor 48 gemessenen Ist-Kühlerauslassdruck hinter dem Kühler 36 („Actual chiller outlet pressure“) und dem minimal zulässigen Kühlerauslassdruck („Chiller outlet pressure limit“) ermittelt, wobei bei Erreichen des minimal zulässigen Drucks der Faktor 1 gilt. Hier könnte statt oder zusätzlich zum vierten Differenzglied 78 auch ein Differenzglied verwendet werden, bei dem der Ist-Verdichtereinlassdruck mit einem minimal zulässigen Verdichtereinlassdruck verglichen wird. Die vier Faktoren werden einem Maximalglied 81 zugeführt, so dass der maximale der vier ermittelten Faktoren weitergegeben wird, und zwar zu einem Multiplikationsglied 82.
[0044] Des Weiteren weist die Versatzreglerschleife 71 ein erstes kalibrierbares Kennfeld 83 auf, bei dem als Eingangswert der Messwert des Temperatursensors 46 dient, über den die maximale Batteriezellentemperatur („Battery max cell temperature“) gemessen wird. Abhängig von dieser Temperatur wird erneut über das Kennfeld 83 ein Faktor zwischen 0 und 1 ermittelt, wobei der Wert 1 gilt, wenn eine maximale Batteriezellentemperatur deutlich unter einer zulässigen maximalen Batteriezellentemperatur liegt und der Wert 0 gilt, wenn die maximale Batteriezellentemperatur die maximal zulässige Batteriezellentemperatur erreicht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei verschiedene erste Kennfelder 83 hinterlegt, welche abhängig vom Zustand des Fahrzeugs („Vehicle charging state“) sind, so dass beispielsweise ein anderes Kennfeld für den Fall einer Aufladung der Batterie 42 gewählt werden kann. Der ermittelte Faktor wird ebenfalls dem Multiplikationsglied 82 zugeführt.
[0045] Ein Vor-Überhitzungstemperaturversatz wird in Abhängigkeit der Differenz zwischen der aktuell gemessenen Ist-Verdampferluftauslasstemperatur („Actual evaporator air temperature‘) und der Soll-Verdampferluftauslasstemperatur („Target evaporator air temperature“), die einem Differenzglied 84 zugeführt werden, über ein zweites Kennfeld 85 bestimmt. Auch hier können mehrere zweite Kennfelder 85 verwendet werden, die vom Status des Fahrzeugs („Vehicle charging state“) abhängen, so dass auch dieser Vor-Überhitzungstemperaturversatz einen anderen Wert annimmt, wenn beispielsweise die Batterie 42 geladen wird. Auch der ermittelte Vor-
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Überhitzungstemperaturversatz („Raw superheat offset“) wird als dritter Faktor dem Multiplikationsglied 82 zugeführt.
[0046] Durch Multiplikation des Vor-Überhitzungstemperaturversatzes („Raw superheat offset“‘) mit dem größten der vier ersten Faktoren sowie dem Faktor zur Batteriezellentemperatur wird im Multiplikationsglied 82 ein Überhitzungstemperaturversatz („Superheat offset for prioritization“ bzw. „Superheat offset for cooling prioritsation“) berechnet, der dem Summationsglieds 70 der äußeren Regelschleife 64 zugeführt wird. Es wird deutlich, dass dieser Überhitzungstemperaturversatz nur dann tatsächlich entsteht, wenn nicht der Faktor zur Batteriezellentemperatur und der maximale Faktor zu den Verdichterdrücken und den Verdichtergeschwindigkeiten und -leistungen sowie dem Kühlerauslassdruck 0 ist. Alle die genannten Parameter sind Zeichen einer Überlastung des Systems, was bedeutet, dass es nicht mehr möglich ist, den Verdampfer 30 und den Kühler 36 ausreichend mit Kältemittel zu versorgen, um einerseits die geforderte Innenraumtemperatur am Verdampfer 30 zu erzeugen und gleichzeitig die Batterie 42 ausreichend zu kühlen.
[0047] Im Folgenden wird in der äußeren Regelschleife 64 aus der Summe des Überhitzungstemperaturversatzes („Superheat offset for prioritization“ bzw. „Superheat offset for cooling prioritization“) und der über den ersten PI-Regler 66 geregelten Soll-Überhitzungstemperatur („Target superheat‘) eine Ziel-Überhitzungstemperatur („Final target superheat“) bestimmt, indem die Summe einem Steigungsregelglied 86 zugeführt wird.
[0048] Die so berechnete Ziel-Überhitzungstemperatur wird mit der aktuellen Ist- Überhitzungstemperatur („Actual superheat“) in einem Vergleicher 87 verglichen und einem zweiten Pl-Regler 88 einer inneren Regelschleife 90 zugeführt, über den hieraus eine Öffnungsposition des Expansionsventils 34 („Target chiller EXV position“) geregelt wird, wobei hinter dem PI-Regler 88 noch ein Minimum-Maximum Begrenzungsglied 89 und ein Steigungsbegrenzungsregelglied 92 angeordnet sind, durch die eine Überlastung des Stellers des Expansionsventils 34 und eine Regelung nicht anfahrbarer Positionen des Expansionsventils 34 vermieden werden.
[0049] Die Regelung erfolgt somit derart, dass so lange nicht eine der vier Bedingungen erfüllt ist und der Vor-Überhitzungstemperaturversatz größer 0 ist, eine normale Regelung des Expansionsventils 34 in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur am Einlass des Batteriekühlers und der daraus resultierenden Ziel-Überhitzungstemperatur erfolgt. Während der Einschwingphase mit heißer Batterie 42 und heißem Kühlmittel wird die Zielüberhitzungstemperatur des ersten PlI-Reglers 66 der äußeren Regelschleife 64 durch die minimal zulässige Überhitzungstemperatur aufgrund der hohen Batterieeintrittstemperatur im Vergleich zu seinem Ziel begrenzt. Der zweite PlRegler 88 der inneren Regelschleife 90 öffnet daraufhin das Expansionsventil 34, bis die minimal zulässige Überhitzungstemperatur erreicht ist. Während der Einschwingphase ist der PI-Regler 66 des äußeren Regelkreises 64 inaktiv, da die Soll-Überhitzungstemperatur immer durch seine minimal zulässige Überhitzungstemperatur begrenzt ist. Im eingeschwungenen Zustand des Systems oder bei Annäherung der Batterieeintrittstemperatur an den Zielwert wird die Zielüberhitzungstemperatur des Pl-Reglers 66 der äußeren Regelschleife 64 ansteigen, was zum Schließen des Expansionsventils 34 durch den zweiten Pl-Regler 88 der inneren Regelschleife 90 führt. In dieser Phase sind beide Pl-Regler 66, 88 aktiv, so dass die angestrebte Batterieeintrittstemperatur erreicht und gehalten werden kann.
[0050] Sobald eine der vier Bedingungen erfüllt ist und die maximale Batteriezellentemperatur normal ist, so dass beide Faktoren größer 0 sind und der Vor-Überhitzungstemperaturversatz größer 0 ist, setzt der Überhitzungstemperaturversatz ein. Eine typische Strategie wäre zum Beispiel, dass während der Fahrt nach dem Start die Kühlung des Fahrzeuginnenraums Priorität hat, wenn die maximale Batteriezellentemperatur noch nicht in der Nähe ihrer kritischen Temperatur liegt. Mit steigender maximaler Batteriezellentemperatur wird die Priorität dann nahtlos auf die Batteriekühlung verlagert. Dies kann realisiert werden, indem das von der Verdampferluftauslasstemperaturdifferenz abhängige zweite Kennfeld 85 mit einem hohen Überhitzungstemperaturversatz kalibriert wird, so dass es zu einer geringeren Öffnung des Expansionsventils 34 führt und somit mehr Kühlleistung für die Innenraumkühlung zur Verfügung steht. Das von der Batteriezellentemperatur abhängige erste Kennfeld 83 kann so kalibriert werden, dass je höher die maximale
Batteriezellentemperatur ist, desto niedriger der Faktorwert gewählt wird, so dass der Überhitzungsversatz verringert wird, um das Expansionsventil 34 stärker zu öffnen und so mehr Kühlleistung für die Batteriekühlung zu erhalten. Ein Schließen des Expansionsventils 34 durch den Überhitzungstemperaturversatz erfolgt somit nur, wenn die Batteriezellentemperatur nicht zu hoch ist und somit die Innenraumkühlung priorisiert wird. Während eines Schnellladevorgangs könnte die Priorisierungsstrategie jedoch anders aussehen, so dass der Batteriekühlung durch andere erste und zweite Kennfelder 83, 85 mehr Priorität eingeräumt wird. Diese verschiedenen ersten und zweiten Kennfelder 83, 85 können über entsprechende Logikschalter 91 entsprechend des Fahrzeugzustandes ausgewählt werden. Durch die Kalibrierung dieser Kennfelder 83, 85 kann man somit entscheiden, welcher Teil mit wie viel mehr Kühlleistung priorisiert wird.
[0051] Der zweite Regelkreis 60 ist in der Figur 3 dargestellt und dient zur Regelung der Geschwindigkeit des Verdichters 16 („Target compressor speed“) in Abhängigkeit der Differenz zwischen einer Solltemperatur der Austrittsluft am Verdampfer 30 („Target evaporator air temperature“) und der Ist-Temperatur der Austrittsluft am Verdampfer 30 („Actual evaporator air temperature“), welche als Eingangswerte einem Vergleicher 94 zugeführt werden. Das Ergebnis wird einem dritten Pl-Regler 96 zugeführt, der hieraus eine Roh-Geschwindigkeit des Verdichters 16 regelt. Dieser Wert wird einem Multiplikationsglied 98 zugeführt, an dem es mit einem Faktor zwischen 0 und 1 korrigiert wird. Diese Korrektur findet statt, wenn der Druck am Auslass des Verdichters 16 („Actial compressor outlet pressure“), der über den Drucksensor 52 gemessen wird, einen definierten Schwellwert übersteigt oder der Druck am Auslass des Kühlers 36 („Actual chiller outlet pressure“), der über den Drucksensor 48 gemessen wird, einen definierten Grenzwert unterschreitet. Die beiden genannten Werte der Sensoren 48, 52 werden entsprechend zunächst jeweils einem Tiefpassfilterelement 100, 101 und anschließend einem dritten kalibrierbaren Kennfeld 102 beziehungsweise einem vierten kalibrierbaren Kennfeld 103 zugeführt, über welches der entsprechende Faktor zwischen 0 und 1 ermittelt wird. Diese beiden ermittelten Faktoren werden einem Minimum-Regelglied 104 zugeführt, so dass der kleinere der beiden Werte dem Multiplikationsglied 98 zugeführt wird. Das Ergebnis dieser Multiplikation wird einem Minimum-Maximum Regelglied 105 sowie einem Steigungsbegrenzungsglied 106 zugeführt, um sicherzustellen, dass der Antrieb des Verdichters 16 innerhalb seiner Auslegungsgrenzen angesteuert wird. Als Ausgabewert entsteht so die Soll-Geschwindigkeit für den Verdichter 16 („Target compressor speed“), um die Ziellufttemperatur am Verdampfer 30 zu erreichen. Im Normalbetrieb haben die beiden Faktoren den Wert 1, was bedeutet, dass sie keinen Einfluss auf die Verdichtergeschwindigkeit haben. Wenn der Verdichterauslassdruck zu hoch ist, wird der Wert des entsprechenden Faktors reduziert, was zu einer geringeren Verdichtergeschwindigkeit führt. Wenn der Ist-Kühlerauslassdruck des Kühlers 36 zu niedrig ist, wird der Wert des zugeordneten Faktors ebenfalls reduziert, was auch zu einer reduzierten Verdichtergeschwindigkeitsanforderung führt.
[0052] In der Figur 4 ist der dritte Regelkreis 62 dargestellt, der zur Regelung einer Geschwindigkeit des Lüfters 20 („Target fan speed“) am Kondensator 18 dient, was in Abhängigkeit eines Auslassdrucks des Verdichters 16 („Actual compressor outlet pressure“) und einer Fahrzeuggeschwindigkeit („Vehicle speed“) erfolgt. Hierzu wird über ein fünftes Kennfeld 107 in Abhängigkeit des Auslassdrucks des Verdichters 16, der über den Drucksensor 52 gemessen wird, ein SollLuftstrom ermittelt. Des Weiteren wird über ein sechstes Kennfeld 108 ein Luftstrom ermittelt, der durch die Fahrzeuggeschwindigkeit („Equivalent air flow rate“) entsteht. In einem Differenzglied 109 werden diese ermittelten Luftströme voneinander subtrahiert, wodurch ein Soll-Förderluftstrom („Requested air flow rate“) ermittelt wird, der vom Lüfter 20 zur Verfügung gestellt werden muss. Dieser wird über ein siebtes Kennfeld 110 sowie einem Minimum-Maximum-Begrenzungsglied 111 und einem Steigungsbegrenzungsglied 112 in eine Geschwindigkeit des Lüfters 20 („Target fan speed“) gewandelt, wobei Schäden am Lüfter 20 durch die Begrenzungsglieder 111, 112 vermieden werden.
[0053] Daraus folgt, dass der angeforderte Luftmassenstrom mit dem Druck am Auslass des Verdichters 16 korreliert, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Wärmemenge für die Kondensation an die Umgebung abgegeben werden kann.
[0054] Durch die vorliegende Regelung werden somit der Verdichter entsprechend der geforder-
ten Lufttemperatur am Verdampfer und das Expansionsventil in Abhängigkeit der Batteriekühlmitteltemperatur unabhängig voneinander gesteuert, bis eine Überlastung des Kühlsystems zu befürchten ist. Je nach hierbei verwendeten Kennfeldern im Regelkreis zur Berechnung des Überhitzungstemperaturversatzes erfolgt daraufhin in Folge eine Priorisierung der Kühlleistungen. Solange keine zu hohe Batteriezelltemperatur zu erwarten ist, kann der Innenraumklimatisierung Priorität eingeräumt werden, indem das Expansionsventil durch den Überhitzungstemperaturversatz weiter geschlossen wird. Für den Fall einer zu befürchteten zu hohen Batteriezellentemperatur, entfällt dieser Versatz, wodurch das Expansionsventil weiter zum Erreichen der minimal zulässigen Überhitzungstemperatur vollständig geöffnet bleibt.
[0055] Es wird noch einmal darauf hingewiesen, dass der Kühlmittelkreislauf auf unterschiedliche Weise ausgeführt werden kann. Auch ist es möglich, dass im Kältemittelkreis zusätzliche Sensoren der Aggregate verwendet werden, so dass es sich bei dem dargestellten kombinierten Kühlund Kältemittelkreis lediglich um eine Mindestanforderung handelt. Entsprechend können auch zusätzliche Regelglieder verwendet werden. Die vorbeschriebenen Auswirkungen der Regelkreise beziehen sich immer auf einen Zustand, in dem das Elektromagnetventil geöffnet ist und somit eine Kühlanforderung am Verdampfer besteht. Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass die Regelkreise zusätzlich eine hier nicht dargestellte bekannte Anti-Wind-up-Strategie enthalten können, um zu verhindern, dass bei einem Regler mit I-Anteil der entstehende zusätzliche Regelfehler aufintegriert wird, wodurch ein starkes Überschwingen, das bis zur Instabilität führen kann, entstehen könnte.

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf (10), der einen ersten Kältemittelzweig (12) und einen zweiten Kältemittelzweig (13) aufweist, wobei in dem ersten Kältemittelzweig (12) zumindest ein Verdichter (16), ein Kondensator (18) mit einem Lüfter (20), ein Trockner (22), ein thermostatisches Expansionsventil (28) und ein Verdampfer (30), der dazu dient, Wärme aus einem Innenraum (31) des Fahrzeugs zu entfernen, angeordnet sind, und in dem zweiten Kältemittelzweig (14), der strömungstechnisch parallel zum thermostatischen Expansionsventil (28) und dem Verdampfer (30) angeordnet ist, ein Expansionsventil (34) und ein Kühler (36) angeordnet sind, wobei der Kühler (36) in Wärmeaustausch mit einem Kühlmittelkreislauf (38) steht, in dem neben dem Kühler (36) zumindest ein Batteriekühler (40) zur Kühlung einer Batterie (42) des Fahrzeugs und eine Kühlmittelbumpe (44) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Kühlleistung des Kühlers (36) über zumindest einen ersten Regelkreis (58) und eine Kühlleistung des Verdampfers (30) über zumindest einen zweiten Regelkreis (60) geregelt werden, wobei eine Priorisierung der Kühlleistung am Kühler (36) aktiviert wird, wenn der Verdichter (16) eine definierte maximale Geschwindigkeit oder eine definierte maximal zulässige elektrische Leistung erreicht oder der Druck vor dem Verdichter (16) oder hinter dem Kühler (36) einen definierten minimal zulässigen Druck unterschreitet oder der Druck hinter dem Verdichter (16) einen definierten maximal zulässigen Druck überschreitet.
    2. Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Priorisierung in Abhängigkeit von zumindest einem ersten Kennfeld (83), bei dem als Eingangswert die aktuell gemessene maximale Batteriezellentemperatur dient, und zumindest einem zweiten Kennfeld (85), bei dem als Eingangswert eine Differenz zwischen der aktuellen Verdampferluftauslasstemperatur und der Soll-Verdampferluftauslasstemperatur dient, im ersten Regelkreis (58) durchgeführt wird.
    3. Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Priorisierung im ersten Regelkreis (58) erfolgt, in welchem eine Stellung des Expansionsventils (34) vor dem Kühler (36) geregelt wird, indem ein Versatz einer geregelten Uberhitzungstemperatur durchgeführt wird.
    4. Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der erste Regelkreis (58) eine äußere Regelschleife (64), in der der Versatz der geregelten Überhitzungstemperatur durchgeführt wird und die einen ersten PI- Regler (66) aufweist, und eine innere Regelschleife (90) mit einem zweiten PI- Regler (88) aufweist, wobei über den ersten Pl-Regler (66) eine Soll-Überhitzungstemperatur in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der Soll-Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Batteriekühler (40) und der Ist- Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Batteriekühler (40) geregelt wird, welche durch eine minimal zulässige Überhitzungstemperatur begrenzt ist, bei der das Kältemittel am Auslass des Kühlers (36) im vollständig gasförmigen Zustand vorliegt und über den zweiten Pl-Regler (88) eine Öffnung des Expansionsventils (34) vor dem Kühler (36) in Abhängigkeit der Differenz zwischen einer Ziel-Überhitzungstemperatur am Auslass des Kühlers (36) und der IstÜberhitzungstemperatur am Auslass des Kühlers (36) geregelt wird.
    5. Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach Anspruch 4,
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    10.
    11.
    AT 528 571 B1 2026-03-15
    dadurch gekennzeichnet, dass
    hinter dem ersten Pl-Regler (66) im äußeren Regelkreis (64) der Versatz der geregelten Überhitzungstemperatur durchgeführt wird, über welchen die im äußeren Regelkreis (64) ermittelte Soll-Überhitzungstemperatur bei Aktivierung der Priorisierung durch Summierung in einem Summationsglied (70) mit dem ermittelten Versatz der Überhitzungstemperatur auf die Ziel-Überhitzungstemperatur korrigiert wird, die als Eingang des inneren Regelkreises (90) dient.
    Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Versatz der geregelten Überhitzungstemperatur in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der maximal zulässigen Verdichtergeschwindigkeit und der geforderten Verdichtergeschwindigkeit, einer Differenz zwischen der maximal zulässigen Leistungsaufnahme des Verdichters (16) und der Ist-Leistungsaufnahme des Verdichters (16), einer Differenz zwischen dem maximal zulässigen Verdichterauslassdruck und dem Ist-Verdichterauslassdruck, und einer Differenz zwischen dem Ist-Kühlerauslassdruck und dem minimal zulässigen Kühlerauslassdruck oder dem Ist-Verdichtereinlassdruck und dem minimal zulässigen Verdichtereinlassdruck geregelt wird.
    Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
    in Abhängigkeit der Größe der Differenzen zu jeder der ermittelten Differenzen in je einem kalibrierbaren Regelglied (73, 75, 77, 79) mit Hysterese ein Faktor zwischen 0 und 1 ermittelt wird, wobei der maximale ermittelte Faktor als ein erster Berichtigungsfaktor zur Berechnung des Versatzes der Überhitzungstemperatur verwendet wird.
    Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
    über das zweite Kennfeld (85) ein Vor-Überhitzungstemperaturversatz ermittelt wird, der über einen zweiten Berichtigungsfaktor zwischen 0 und 1, der über das erste Kennfeld (83) ermittelt wird, und über den ersten Berichtigungsfaktor durch Multiplikation korrigiert wird.
    Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mehrere erste Kennfelder (83) und mehrere zweite Kennfelder (85) hinterlegt sind, welche in Abhängigkeit eines Lastzustandes des Fahrzeugs verwendet werden.
    Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Regelwerte des ersten Pl-Reglers (66) der äußeren Regelschleife (64) und des zweiten Pl-Reglers (88) der inneren Regelschleife (90) jeweils durch ein Minimum- und MaximumBegrenzungsglied (68, 89) begrenzt werden.
    Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach Anspruch 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass
    in der äußeren Regelschleife (64) hinter dem Summationsglied (70) eine Steigungsbegrenzung über ein erstes Steigungsbegrenzungsregelglied (86) durchgeführt wird und in der inneren Regelschleife (90) hinter dem Minimum-Maximum-Begrenzungsglied (89) eine Steigungsbegrenzung über ein zweites Steigungsbegrenzungsregelglied (92) durchgeführt wird.
    12. Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im zweiten Regelkreis (60) eine Geschwindigkeit des Verdichters (16) in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der Solltemperatur der Austrittsluft am Verdampfer (30) und der Ist-Temperatur der Austrittsluft am Verdampfer (30) über einen dritten Pl-Regler (96) geregelt wird.
    13. Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die über den dritten Pl-Regler (96) ermittelte Geschwindigkeit des Verdichters (16) reduziert wird, falls der Druck am Auslass des Verdichters (16) einen definierten Schwellwert übersteigt oder der Druck am Auslass des Kühlers (36) einen definierten Grenzwert unterschreitet.
    14. Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach Anspruch 12 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Reduzierung der Geschwindigkeit des Verdichters (16) die über den dritten Pl-Regler (96) ermittelte Geschwindigkeit mit einem Faktor zwischen 0 und 1 multipliziert wird, welcher durch den kleineren der beiden Faktoren gebildet wird, die durch ein hinterlegtes drittes Kennfeld (102) und ein viertes Kennfeld (103) in Abhängigkeit des Drucks am Auslass des Verdichters (16) und des Drucks am Auslass des Kühlers (36) ermittelt werden.
    15. Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass
    in einem dritten Regelkreis (62) eine Geschwindigkeit des Lüfters (20) am Kondensator (18) in Abhängigkeit eines Auslassdrucks des Verdichters (16) und einer Fahrzeuggeschwindigkeit geregelt wird.
    16. Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass
    über ein fünftes Kennfeld (107) in Abhängigkeit des Auslassdrucks des Verdichters (16) ein Soll-Luftstrom ermittelt wird, von dem ein über ein sechstes Kennfeld (108) ermittelter Luftstrom in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit subtrahiert wird, wodurch ein Soll-Förderluftstrom des Lüfters (20) ermittelt wird, aus dem über ein siebtes Kennfeld (110) die Geschwindigkeit des Lüfters (20) ermittelt wird.
    17. Verfahren zur Regelung eines mit einem Kühlmittelkreislauf gekoppelten Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass
    die ermittelten Geschwindigkeiten des Lüfters (20) und des Verdichters (16) durch ein Minimum-Maximum-Begrenzungsglied (105, 111) und durch ein Steigungsbegrenzungsregelglied (106, 112) eingeschränkt werden.
    Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
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