CN111315605B - 用于运行热泵的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行机动车辆、尤其混合动力车辆或者电动车辆中的热泵的方法，其中，所述热泵具有制冷回路，所述制冷回路具有：至少一个用于把制冷剂压缩到高压pHD的制冷剂压缩机，其中，所述高压pHD由环境条件和车辆状态导致；至少一个用于把热能从所述制冷剂传输到用于车辆内部空间的空气质量流上以便提供期望热流的换热器；至少一个膨胀机构；和至少一个蒸发器。其特征在于下列步骤：(a)由所述环境条件和所述车辆状态确定潜在的或者实际的导致未实现所述期望热流的所述高压pHD的减少；和(b)通过在所述膨胀机构内的减小的通流横截面提高所述高压pHD，以实现所述期望热流。

Description

用于运行热泵的方法
本发明涉及一种用于运行在机动车辆、尤其混合动力车辆或者电动车辆中的热泵的方法，其中，所述热泵具有制冷回路，所述制冷回路具有至少一个用于把制冷剂压缩至高压pHD的制冷剂压缩机，其中，所述高压pHD由环境条件和车辆状态导致，所述冷却回路还具有用于把热量从制冷剂传输到用于车辆内部空间的空气质量流上的换热器，以提供期望热流，所述冷却回路还具有膨胀机构和蒸发器。
随着车辆的电气化的变多，产生在具有内燃机的传统驱动的车辆中未存在的新的挑战。尤其在电动车辆中，由于与具有内燃发动机的车辆相比驱动部件明显更有效，所以仅能提供用于加热车辆内部空间的不充分的加热功率。当电动车辆处于静止状态下时，不利地无法提供针对车辆内部空间的可用的加热功率。
针对混合动力车辆或者电动车辆，已经证明热泵是作为用于提供加热功率的备选方案。已知在空调设备的现有制冷回路中集成这种热泵。但是，尤其在较小的行驶速度和静止状态下，当行驶噪音几乎或者完全不再能够被觉察到时，此热泵在提供加热功率中具有缺陷。但是相反地，必须以较高的转速运行制冷剂压缩机，以提供用于加热用于内部空间的空气质量流的所需的制冷剂质量流。在制冷剂压缩机的转速较高时产生工作噪音，在较低的行驶速度下或者尤其在静止状态中相对于行驶噪音或者风机噪音在车辆内部空间中明显能够听见此工作噪音。对车辆乘员来说此工作噪音是不正常的并且将因此感觉受干扰。
为了补偿在加热功率上的上述缺陷，已知能够在空调设备中集成电加热器、如高压空气PTC加热器，以提供针对内部空间的所需的期望热流。但是，这种加热器较昂贵并且针对它的集成性需要对空调设备做出结构上的改造设计。另外，加热器在空气流向车辆内部空间方向的路径上形成流动阻力，由此减小空气量。不利地，可能需要对空气导流的构件做出进一步的结构上的调整。备选地，通过更高的风机电压能够调节空气量，这继而导致风机的更响的工作噪音并且不利于舒适性。另外，电加热器的缺点在于，用于运行加热器的电能缩减电动车辆的续航里程。因此，在外部温度为0℃至零下20℃时，续航里程会大大缩减。
此外的可行方案是，通过运行部分空气循环减少所需的加热功率。但是，由于回返的湿气导致玻璃起雾的危险，所以仅能非常有限地实现这个方案。
另外的可行方案是通过屏蔽场(德语：Maskierungsfelder)改变热泵的调节并且由此实现更好的加热。在此首先确定输入值、例如环境条件或者描述车辆状态的测量变量。作为环境条件确定例如外部温度、空气湿度、阳光入射角和阳光入射功率。作为车辆状态的测量变量确定例如行驶速度、空调设备中风机的风机电压、空气循环阀门位置以及收音机音量。这些输入值载入于一个或多个屏蔽场中。在此，可以例如以以下方式实现对输入值的评估，即，在车辆的静止状态时，升高风机电压，从而使得驾驶员熟悉的风机的工作噪声超过制冷剂压缩机的工作噪声。如此，制冷剂压缩机能够以更高的转速工作并且从而向换热器提供更高的制冷剂质量流。结果能够提高加热功率，并且无需干扰车辆乘员。但是，使用这种方法，在较小的行驶速度下和在静止状态下、尤其在外部温度越来越低时，不能提供所需的期望热流，因为通过屏蔽场不能补偿所有的测量变量。至今继续需要电加热器。
例如从专利文献DE 43 36 914 A1和DE 10 2014 016 170 A1中已知一种针对使用制冷回路以冷却车辆内部空间的智能的调节方法。但是其中所述的方法不适用于运行热泵。
在此背景下，本发明所要解决的技术问题是减少现有技术的缺陷。
本发明通过根据权利要求1所述的方法来解决该技术问题，此方法的特征在于下面的步骤：(a)由所述环境条件和所述车辆状态确定所述高压pHD的潜在的或者实际的减少，所述减少导致未达到所述期望热流(或者说目标热流)，并且(b)通过减小在所述膨胀机构内的通流横截面提高所述高压pHD，以达到所述期望热流。以此能够有利地省去电加热器，这不仅降低根据本发明的方法运行的热泵的成本，而且也减少根据本发明的方法运行的热泵的结构上的耗费。另外，简化了调节，方式为利用已存在的系统、即热泵的制冷回路。本发明基于令人意想不到的发现，即，即使在临界条件下、尤其在外部温度较低，直至-20℃时和行驶速度较小，直至静止状态时，冷却回路本身足以提供期望热流。在此选择了不寻常的方法，因为通过变小的通流横截面和与此相关的高压的升高，热泵的效率变差。COP的减小最多为300％。通过更小的COP一方面需要更大的电功率用于运行制冷剂压缩机并且由此不利地进一步缩减电动车辆的续航里程。但是另一方面表明了，与电加热器相比，上述方法需要更少的电能并且仍然能够有利地提供所需的期望热流。换句话说，即，与仅使用高电压-空气-PTC相比，根据本发明的方法始终更有效率，除非存在一种运行状态，在其中不提供蒸发热流并且因此只能通过制冷剂压缩机向制冷剂输入能量。
在当前的描述的范围内始终涉及制冷剂压缩机、换热器、膨胀机构和蒸发器。但是也可行的是并且根据优选的实施方式规定的是，热泵也能够相应具有多个这些组件。特别优选地，热泵具有至少两个膨胀机构和两个蒸发器。
在下面的描述的范围内，为了描述环境条件和车辆状态尤其理解为通过车辆的CAN总线能够取得的所有测量变量。
在本发明的优选的实施方式中，膨胀机构设计为能电气控制的膨胀阀(EXV)，所述能电气控制的膨胀阀的通流横截面被减小。由此能够任意地设置通流横截面，用于设置用于所期望的期望热流所需的所期望的高压。但本发明不限于使用EXV。普遍地能够提供可变的和/或可接通的变小的通流横截面。例如也能想到的是，热力膨胀阀(TXV)与至少一个与TXV并联的固定节流阀(德语：Fixdrossel；或称为固定节流器)结合使用。固定节流阀在最简单的设计中可以是具有横截面缩窄部的管。此横截面缩窄部呈现为用于升高高压的变小的通流横截面。当确定了高压并不足够高以提供期望热流时，能够借助三通阀、尤其无级三通阀，引导制冷剂部分地或者全部地通过固定节流阀，从而升高所述高压。
在本发明的有利的设计方案中，在考虑用于在至少一个蒸发器中蒸发制冷剂的可用的蒸发热流的情况下，实施权利要求1中的步骤(a)。能通过换热器产生的用于加热车辆内部空间的热流被简化为由蒸发热流和制冷剂压缩机的压缩功率构成的总和。对于确定是否实施了本发明，所述蒸发热流被认为是重要的，因为与压缩功率相比，蒸发热流决定性地取决于环境条件。由环境条件、例如外部温度、空气湿度和/或空气速度以及车辆状态的测量变量、例如行驶速度、前部风扇电压和蒸发压力计算蒸发热流。由此能够得出关于是否在换热器上提供了或者能够导出所期望的期望热流的结论。当然，最大可用的蒸发热流由取决于系统和取决于环境的边界决定，其例如会导致蒸发器结冰。在这方面已知为了避免结冰的保护方式为，借助温度传感器测量蒸发器后的空气流中的空气温度并且当达到最低温度时，调节穿流开口或者调节制冷剂压缩机的供给功率。
优选地，实施权利要求1中的步骤(b)直至实现期望高压，其中，所述期望高压由环境条件和/或车辆状态得出，尤其由蒸发热流、和/或待实现的期望热流、和/或空气质量流的期望温度TSoll相对于实际温度的偏差、和/或制冷剂压缩机的和/或前部风扇的转速、和/或车辆速度得出。以此有利地仅在必需的程度内实施本方法，因为它导致如上文阐述的热泵的COP的变差。换句话说，仅以这样的程度减小通流横截面，即在考虑所列量的情况下为了提供期望热流真正需要的程度。此外，可以尽可能最好地减小通过转速导致的工作噪音，其会在提供期望热流时产生并且如果没有所述方法就会干扰车辆乘员。
根据优选的实施方式，在考虑制冷剂压缩机的综合特性曲线的情况下实施权利要求1的步骤(b)。以此，仅以必需的程度减小通流横截面，使得热泵的效率最大化。制冷剂压缩机的综合特性曲线包括根据吸气压力、制冷剂压缩机的转速以及高压和吸气压力之间的压力差的通流横截面的必要的变化。根据综合特性曲线能够确定制冷剂压缩机的运行点，是否还能借助制冷剂压缩机提供期望热流和还能借助制冷剂压缩机以何种程度提供期望热流。例如制冷剂压缩机能够输送更高的制冷剂质量流。这导致，需要更小的高压/制冷剂的更低的温度以提供所需的期望热流。这可以通过提高每工作冲程的输送体积或者通过更高的转速实现。在此必须考虑制冷剂压缩机的工作噪声的限制。在此过程期间，应检查与根据步骤(b)的通过升高高压相比，在何种程度上能够更有效率地提供更大的制冷剂质量流。根据综合特性曲线，通过最少地应用本发明意义上的方法有利地保证热泵尽可能有效率地运行。
优选地当从车辆状态中能够预计车辆静止状态时，实施本方法。优选地，考虑行驶速度的减速的时间曲线作为车辆状态的相关测量变量。备选地或者额外地，能够考虑操作加速踏板和/或制动踏板的时间曲线。
优选地，在时间上延迟地在一时间点再增大通流横截面，在该时间点由环境条件和/或车辆状态所致、更大的通流横截面为了实现期望热流已经是足够的。在此，进行所述增大，直至在不使用所述方法时存在的通流横截面和减小的通流横截面之间的通流横截面。以此有利地保证通流横截面不在尤其从当前车辆状态比较不可靠地推断其继续的时间曲线的时间点增大。优选的是，作为用于车辆状态的相关的测量变量考虑在至少一秒、优选两秒、特别优选三秒的时间段上的行驶速度。当在该时间段上车辆速度以确定的高度增加，就由此推定，车辆长期加速并且例如不存在停停走走式运行。
本发明意义上的方法基本上不限于具有特定的制冷剂的热泵的运行。因此本方法也能够与既定的R134a、以及也能够与R744或者R1234yf或者其他的制冷剂实施。
根据下面的附图详细阐述本发明的实施例。在附图中：
图1示出了带有不使用根据本发明的方法时，车辆状态的测量变量针对不同的行驶状态的示意曲线的图表；
图2示出了带有在使用根据本发明的方法的情况下，车辆状态的测量变量针对不同的行驶状态的示意曲线的图表；和
图3示出了关于用于实施根据本发明的方法的示例性的条件的流程示意图。
在图1中示出了带有车辆状态的测量变量的示意曲线的图表。作为测量变量，示出了制冷剂压缩机的转速、高压pHD、EXV的通流横截面和车辆的行驶速度。示出的是原理性的过程，其中未给出相应测量变量的值。因此，y轴是无量纲的。在x轴上示出了沿时间t的时间走向。根据行驶速度的曲线可以识别出，形成了不同的行驶状态。首先是在恒定速度下的行驶，然后是至静止状态的制动过程、停驻阶段以及最终的加速过程。
能够识别出，与制动过程和停驻相比，在恒定速度下的行驶过程中以及在加速过程中的高压pHD明显更高。在此高压pHD下能够产生足够的期望热流，因为由于与静止状态相比的更高的转速，制冷剂压缩机能够产生足够高的制冷剂质量流，并且由此存在更高的高压pHD和随之存在的更高的制冷剂温度。也能够使用电驱动的制冷剂压缩机，并且通过可变的排量和转速能够设置相应的高压。在制动过程中以及在静止状态下，车辆的行驶噪音将变得越来越听不见，从而必须降低压缩机的转速、尤其在电气控制的制冷剂压缩机的情况下降低转速，以降低压缩机的工作噪音。这导致不能提供期望热流，并且按照现有技术只能通过加热器补偿此缺陷。在针对期望热流的提供的关键阶段中，EXV的通流横截面保持不变，以实现热泵的尽可能有效的运行，并且从而得到车辆在电动行驶中的尽可能小的续航里程损失。
在图2中示出了与在图1中相同的行驶状态和测量变量，但是使用了根据本发明的方法。在行驶速度降低后不久，热泵的调节装置识别出存在(具有伴随行驶速度降低的高压减少的)行驶状态。调节装置还识别出，高压的所述减小导致不再能够通过例如提高制冷剂压缩机的转速产生期望热流。对此，行驶速度太小，并且制冷剂压缩机的工作噪音将被乘员认为是扰人的。因此，在本发明的意义上提供减小的通流横截面，方式为关小EXV。这造成高压pHD的减小被停止。与图1中的高压pHD的曲线相比，能够在图2中识别出在停驻阶段期间明显更高的水平。随着更高的高压pHD，制冷剂具有更高的温度并且随之具有能够通过换热器传递到用于车辆内部空间的空气流上的热量。通过减小通流横截面，向制冷剂压缩机提供相比较小的制冷剂质量流，这也导致更小的制冷剂质量流流动穿过换热器。然而，基于升高了的压力水平和温度水平，所述更小的制冷剂质量流也足以提供期望热流。
一旦环境条件和/或车辆状态这样改变，使得不再需要当前的EXV的通流横截面并且能够更有效率地提供期望热流，则时间延迟地减小通流横截面。这在图2中可以由此看到，即在加速开始之后的一定的时间后，通流横截面再次变大。
图3示出了关于为了实施根据本发明的方法必须存在的示例性的条件的示意流程图。基本上争取达到热泵的优化消耗的制冷回路运行，以便提供尤其电动车辆的最大可能的续航里程。
在此在借助遮蔽场的情况下使用例如开头提及的方法。在图1和2中示出了一种场景，即，至静止状态的制动需要降低制冷剂压缩机的转速，以便减小制冷剂压缩机的工作噪声。这呈现的是导致在本发明的意义上的方法被应用的条件。此条件在从上方的第二图框中列出。
降低转速能够导致不再达到车辆内部空间中的期望温度TSoll。所述期望温度TSoll与所需的期望热流关联，因为只有当提供了足够的期望热流时才能达到所述期望温度。当不再满足条件“启用降低制冷剂压缩机的转速”时，能够根据图框“优化消耗的制冷回路运行”继续进行加热。当满足了此条件并且不能达到期望温度TSoll时，减小EXV的通流横截面，用于获得已述的效果。不断地询问期望温度TSoll，从而将通流横截面相应地维持、增大或者减小。当因此能够达到期望温度TSoll时，则再次实现优化消耗的制冷回路运行。在通过在下方和上方的图框之间的用“是”所示的箭头示出。
即将面临或者已经存在的蒸发器结冰被定义为备选的或者额外的条件。通过降低蒸发热流能够避免或者再去除蒸发器结冰，然而用于期望热流供应的所提供的能量就较少。因此存在的缺陷能够通过本发明的方法补偿。
附图标记清单
EXV 电气控制的膨胀阀
PHD 制冷剂压缩机后的高压
TSoll 车辆内部空间的应有温度

Claims (8)

1.一种用于运行机动车辆中的热泵的方法，其中，所述热泵具有制冷回路，所述制冷回路具有：
-至少一个用于把制冷剂压缩到高压pHD的制冷剂压缩机，其中，所述高压pHD由环境条件和车辆状态导致；
-至少一个用于把热能从所述制冷剂传输到用于车辆内部空间的空气质量流上以便提供期望热流的换热器；
-至少一个膨胀机构；和
-至少一个蒸发器，
其特征在于下列步骤：
(a)由所述环境条件和所述车辆状态确定潜在的或者实际的高压pHD的减小，所述高压pHD的减小导致未实现所述期望热流；和
(b)通过在所述膨胀机构内的减小的通流横截面提高所述高压pHD，使得实现所述期望热流，
其中，当从所述车辆状态中能够预计车辆静止状态时，实施所述方法，其中，作为车辆状态的相关测量变量考虑行驶速度的减速的时间曲线和/或考虑操作加速踏板和/或制动踏板的时间曲线。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，
使用能电气控制的膨胀阀(EXV)作为所述膨胀机构，所述能电气控制的膨胀阀(EXV)的通流横截面被减小。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
在考虑用于在至少一个蒸发器中蒸发所述制冷剂的可用的蒸发热流的情况下实施权利要求1中的步骤(a)。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
实施权利要求1中的步骤(b)直至实现期望高压，并且所述期望高压由所述环境条件和/或车辆状态得出。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
在考虑所述制冷剂压缩机的综合特性曲线的情况下实施权利要求1中的步骤(b)。
6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
在时间上延迟地在一时间点再增大所述通流横截面，在该时间点由环境条件和/或车辆状态所致、更大的通流横截面用于实现期望热流已经是足够的。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述机动车辆是混合动力车辆或者电动车辆。
8.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，
实施权利要求1中的步骤(b)直至实现期望高压，并且所述期望高压由:
-所述蒸发热流；
-和/或所述期望热流；
-和/或所述空气质量流的期望温度TSoll相对于实际温度的偏差；
-和/或所述制冷剂压缩机和/或前端风机的转速；
-和/或车辆速度得出。
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