DE102007055006A1

DE102007055006A1 - HVAC System

Info

Publication number: DE102007055006A1
Application number: DE102007055006A
Authority: DE
Inventors: G. Kevin Oakland Alston; Machiko Oakland Taylor
Original assignee: Glacier Bay Inc
Current assignee: Glacier Bay Inc
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2008-09-11
Also published as: US7797958B2; JP2008120381A; US20080110189A1; US20110067420A1; JP5296369B2

Abstract

Ein HVAC System für ein Fahrzeug. Das HVAC System beinhaltet eine Steuerung des Batteriemanagements, die eingesetzt werden kann, um die Komponenten des HVAC Systems zu betreiben, wenn der Fahrzeugmotor nicht läuft.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anlage oder ein System für die Heizung, Belüftung und Klimatisierung (HVAC) zum Einbau in ein Fahrzeug.
Von Lastkraftwagenfahrern, die Waren quer durch das Land fahren, kann verlangt werden, dass sie zu verschiedenen Zeiten entlang ihrer Route am Straßenrand halten, um eine Pause zu machen, so dass sie nicht zu müde zu werden. Zu den üblichen Rastplätzen für Lastwagenfahrer gehören Raststätten, Zollplätze und Ähnliches. Diese Orte besitzen jedoch für gewöhnlich keine Unterkünfte für die Fahrer, und als Folge davon bleiben diese in der Regel im Fahrerhaus des Lastkraftwagens innerhalb eines Schlafbereichs. Um dem Fahrer ein Höchstmaß an Komfort zu bieten, sollte der Schlafbereich temperaturgeregelt sein, so dass die Umgebung im Lastkraftwagen dem Fahrer so zuträglich ist, dass er oder sie die benötigte Ruhepause erhält.
Zurzeit tendieren Lastkraftwagen dazu, mittels Fahrzeugmotorriemen angetriebene Kompressoren für die Klimaanlage zu verwenden, um ein Kühlmittel überall im Fahrzeug zirkulieren zu lassen und durch das Fahrzeug hindurch zu pumpen, um die Fahrerbereiche zu kühlen. Außerdem kann eine mittels Fahrzeugmotorriemen angetriebene Pumpe überschüssige Motorwärme überall in den Fahrerbereichen zirkulieren lassen, wenn eine Heizung benötigt wird. Leider haben diese Systeme den Nachteil, dass sie nicht funktionieren, wenn der Fahrzeugmotor abgestellt ist. Demzufolge hat der Fahrer die Wahl, entweder den Fahrzeugmotor laufen zu lassen (was zusätzlichen Treibstoff erfordert), um das Temperaturregelungssystem in Betrieb zu halten, oder den Fahrzeugmotor abzustellen und die Klima- oder Heizungsanlagen nicht zu benutzen (was es für den Fahrer unbehaglich machen kann).
Im Hinblick auf das Obenerwähnte besteht ein Bedarf dafür, ein HVAC System anzubieten, das eine Temperaturregelung bereitstellen kann, wenn der Fahrzeugmotor abgestellt ist, und das die für das Heizungs- und Kühlungssystem erforderliche Energie liefern kann. Eine Alternative besteht darin, die Batterie des Lastkraftwagens einzusetzen, um das HVAC System mit Energie zu versorgen. Diese Alternative besitzt den Nachteil, dass das HVAC System möglicherweise zu einem bestimmten Zeitpunkt abgeschaltet werden muss, damit sich die Batterie nicht soweit entleert, dass das Fahrzeug nicht mehr gestartet werden kann. Somit besteht ein Bedarf dafür, ein Batterie-Managementsystem anzubieten, dass die Zeitspanne maximiert, in der das HVAC System in Betrieb bleiben kann, wenn der Fahrzeugmotor abgestellt ist, aber die Fahrzeugbatterie nicht so weit entleert, dass das Fahrzeug nicht starten kann.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass Heizgeräte, die im Heizungssystem verwendet werden, häufig mit Dieselkraftstoff laufen. Wie zuvor erwähnt, können mit Fahrzeugmotorriemen angetriebene Pumpen überschüssige Motorwärme überall in den Fahrerbereichen zu Heizzwecken zirkulieren lassen, aber diese Pumpen benötigen Treibstoff. Ersatzweise kann ein geeigneter Brenner verwendet werden, der Treibstoff aus dem Tank zieht (wenn der Fahrzeugmotor nicht in Betrieb ist) und ihn verbrennt, um die Luft unmittelbar oder durch zirkuliertes Wasser zu erwärmen. Deshalb besteht ein Bedarf dafür, ein Heizungssystem im Rahmen des HVAC Systems bereitzustellen, das betriebsfähig ist, während der Fahrzeugmotor abgestellt ist, so dass kein Dieselkraftstoff verbraucht wird.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Austausch eines HVAC Systems zu einem aufwändigen und kostspieligen Installationsprozess führen kann. Beispielsweise könnte der Austausch eines HVAC Systems das Auswechseln vorhandener und voll funktionsfähiger Geräte, die bereits im Fahrzeug vorhanden sind, bedeuten, wie zum Beispiel den Ersatz des Verdunsters, der Umluftventilatoren oder des Kanalnetzes. Somit besteht ein Bedarf dafür, ein HVAC System anzubieten, das leicht installiert werden kann und nicht notwendigerweise den Austausch all der vorhandenen Komponenten des HVAC Systems eines Fahrzeugs zur Folge hat.
Zusammenfassung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein in ein Fahrzeug einzubauendes HVAC System offen gelegt, das eine Steuerung des Batteriemanagements umfasst. Die Steuerung des Batteriemanagements kann zumindest einen Anschluss zur elektrischen Kopplung einer ersten Energiequelle mit einer ersten elektrischen Spannung und zumindest einen Anschluss zur elektrischen Kopplung einer zweiten Energiequelle mit einer zweiten elektrischen Spannung aufweisen. Die Steuerung des Batteriemanagements kann so aufgebaut sein, dass sie ein Temperaturregelungssystem betreibt und dem Temperaturregelungssystem Energie aus einer Kombination der ersten und zweiten Energiequellen mit einer kombinierten Spannung zuführt, wobei die zweite Energiequelle abgeschaltet wird, wenn die kombinierte Spannung unter eine vorgegebene Größe sinkt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein in ein Fahrzeug einzubauendes HVAC System offen gelegt, das ein Umkehrkreislaufheizungssystem und ein Batteriemanagementsystem umfasst, das so aufgebaut ist, dass es das Umkehrheizungssystem betreibt, wenn der Motor des Fahrzeugs abgestellt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein in ein Fahrzeug einzubauendes HVAC System offen gelegt, das eine erste Energiequelle; einen Kompressor; einen Motor, der mit dem Kompressor operativ gekoppelt ist; einen Kondensator; und ein Batteriemanagementsystem umfasst, das so aufgebaut ist, dass es den Motor laufen lässt, wenn der Fahrzeugmotor abgestellt ist. Die erste Energiequelle, der Kompressor, der Motor und der Kondensator können so konfiguriert sein, dass sie sich als ein äußeres Teilsystem außerhalb eines Fahrerhauses des Fahrzeugs befinden.
Es ist selbstverständlich, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung wie auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft und erklärend sind und die Erfindung, wie sie beansprucht wird, nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, den angefügten Ansprüchen und den begleitenden beispielhaften Ausführungsformen, die in den unten kurz beschriebenen Zeichnungen dargestellt werden, ersichtlich.
1 ist ein Schaltbild eines in ein Fahrzeug einzubauenden HVAC Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Schaltbild eines HVAC Systems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Schaltbild einer alternativen Konfiguration des HVAC Systems der 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Schaltbild eines HVAC Systems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5(a) und 5(b) sind Schaltbilder der Steuerung des Batteriemanagements und der Steuerung des Energiemanagements, jeweils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6(a) und 6(b) sind Ablaufdiagramme, welche die Arbeitsweise der Steuerung des Batteriemanagements während des Entladens und des Wiederaufladens der Energiequellen darstellen, jeweils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das die Arbeitsweise der Steuerung des Energiemanagements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
8 ist ein Schaltbild eines in ein Fahrzeug einzubauenden HVAC Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben.
1 ist ein Schaltbild eines in ein Fahrzeug einzubauenden HVAC Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das HVAC System 10 kann einen Motor 12, einen Kompressor 14, Umwälzlüfter 210 und 212, eine Steuerung des Energiemanagements 50 und eine Steuerung des Batteriemanagements 60 umfassen. Der Motor kann mit dem Kompressor 14 operativ gekoppelt sein. Der Kompressor 14 ist ein Kompressor mit einer stufenlos fortlaufend veränderlichen Drehzahl, der durch den Motor 12 angetrieben wird. Der Kompressor 14 lässt ein Kühlmittel durch den Kondensator 16 bis zu einem fakultativen Kühlmittelempfänger und Trockner 18 zirkulieren. Sodann durchläuft das Kühlmittel vom Kühlmittelempfänger und Trockner 18 entweder einen ersten Kühlweg 21, der den Fahrerbereich 23 kühlt, oder einen zweiten Kühlweg 25, der den Schlafbereich 27 des Fahrzeugs kühlt. Was den ersten Kühlweg 21 betrifft, so durchläuft das Kühlmittel eine das Kühlmittel dosierende Vorrichtung 20 und einen Verdunster 22. Die Kühlmittel dosierende Vorrichtung 20 kann eine Expansionsvorrichtung sein oder nicht, wie zum Beispiel ein thermostatisches Expansionsventil, ein Druck regelndes Expansionsventil, ein Kapillarrohr oder Ähnliches, das in herkömmlicher Weise verwendet wird. In einer Anordnung ist die Kühlmittel dosierende Vorrichtung 20 eine Dosierungsvorrichtung, die den gefluteten Verdunster 22 mit Kühlmittel versorgt, ohne dass eine Expansion am oder nahe dem Ventil stattfindet, und die somit Kühlmittel in flüssiger Form lediglich in dem Maß abgibt, das ausreicht, um den richtigen Flüssigkeitspegel im Verdunster aufrechtzuerhalten. Durch den Umwälzlüfter 210 wird Luft über den Verdunster 22 geblasen. Nachdem die Luft durch den Verdunster 22 gekühlt worden ist, setzt sie ihren Weg durch einen Luftkanal 272 zum Fahrerbereich 23 des Fahrzeugs fort.
Ein zweiter Kühlweg 25 verläuft parallel zum ersten Kühlweg 21, wobei das Kühlmittel durch eine Kühlmittel dosierende Vorrichtung 24 und einen Verdunster 26 geliefert wird. Durch den Umwälzlüfter 212 wird Luft über den Verdunster 26 geblasen. Nachdem die Luft durch den Verdunster 26 gekühlt wurde, setzt sie ihren Weg durch einen Luftkanal 276 zum Schlafbereich 27 des Fahrzeugs fort. Der Verdunster 26 des zweiten Kühlwegs 25 kann kleiner als der Verdunster 22 des ersten Kühlwegs 21 sein, da der Schlafbereich 27 üblicherweise kleiner ist als der Fahrerbereich 23.
Die zwei Kühlmittelkreisläufe können durch den Einsatz der Ventile 28 und 29 wählbar sein. Die Einbeziehung derartiger Ventile ermöglicht die Klimatisierung des Fahrerbereichs 23, des Schlafbereichs 27 oder beider Bereiche zu einer bestimmten Zeit. Die Ventile 28 und 29 können durch die Steuerung des Energiemanagements 50 geregelt werden (nachstehend zu behandeln). Sobald das Kühlmittel den Verdunster 22 und/oder 26 passiert hat, durchläuft es einen fakultativen Kühlmittelspeicher 30, bevor es zum Kompressor 14 zurückgeführt wird, um den Vorgang erneut zu starten.
Der Motor 12 kann jeder geeignete Motor sein. Beispielsweise kann der Motor 12 ein bürstenloser Gleichstrommotor sein, der durch eine eckige oder trapezähnliche Wellenform kommutiert ist. In einem anderen Beispiel kann der Motor 12 ein gleichlaufender Dauermagnetmotor sein, der mit einer Sinuswelle kommutiert ist. Wenn der Motor durch eine Sinus welle angesteuert wird, können zusätzliche Vorteile erlangt werden, wie zum Beispiel ein besserer Antrieb, eine bessere Kühlung und ein ruhigerer Lauf.
Durch die Verwendung eines Kompressors 14 mit veränderlicher Drehzahl, der durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor oder einen gleichlaufenden Dauermagnetmotor 12 angetrieben wird, kann das HVAC System des Fahrzeugs betrieben werden, wenn der Fahrzeugmotor eingeschaltet ist oder wenn er abgestellt ist. Der Kompressor 14 mit veränderlicher Drehzahl kann es dem HVAC System 10 außerdem ermöglichen, während des Betriebs bei abgestelltem Fahrzeugmotor mit einer niedrigeren Kapazität zu arbeiten, um die Menge an gespeicherter Energie zu konservieren, die für den Verbrauch durch das Systems 10 verfügbar ist. Die Regelung dieses Vorgangs wird von der Steuerung des Energiemanagements 50 geliefert, die verschiedene Systemparameter überwacht, während die Steuerung des Batteriemanagements 60 die Verfügbarkeit und den Zustand der Energiequellen im Fahrzeug kontrolliert. Die vorhandenen Energiequellen können eine erste Energiequelle 40, eine zweite Energiequelle 42 und/oder das Hauptstromerzeugungssystem 44 des Fahrzeugs umfassen.
In annähernd gleicher Weise können auch die Umwälzlüfter 210 und 212 stufenlos fortlaufend veränderliche Drehzahlen aufweisen, so dass die Umwälzlüfter während des Betriebs bei abgestelltem Fahrzeugmotor mit einer niedrigeren Kapazität arbeiten können, um die Menge an gespeicherter Energie zu konservieren, die für den Verbrauch durch das Systems 10 verfügbar ist. Auch die Regelung dieses Vorgangs wird von der Steuerung des Energiemanagements 50 zur Verfügung gestellt.
Die Steuerung des Batteriemanagements 60 ist so aufgebaut, dass das HVAC System 10 des Fahrzeugs im Stande ist, vom Hauptstromerzeugungssystem 44 des Fahrzeugs mit Energie versorgt zu werden, wobei das System zur Verfügung steht, solange der Fahrzeugmotor läuft. Wenn der Fahrzeugmotor abgestellt ist, kann das HVAC System 10 von einer ersten Energiequelle 40 und/oder einer zweiten Energiequelle 42 in Abhängigkeit von den Energiepegeln der Energiequellen mit Energie versorgt werden (wie später beschrieben wird). In einer Ausführungsform kann die erste Energiequelle 40 aus einer oder mehreren zusätzlichen Batterien mit tiefem Zyklus und die zweite Energiequelle 42 aus einer oder mehreren Starterbatterien des Fahrzeugs bestehen. In einer anderen Ausführungsform kann eine der ersten und zweiten Energiequellen eine externe Drehstromquelle sein, die mit dem System durch einen externen Anschluss verbunden ist.
Im HVAC System 10 kann der mittels Motor angetriebene Kompressor 14 die Fähigkeit besitzen, seine Ausgangsleistung von einer vollen Kapazität an eine niedrige Kapazität anzupassen. Diese Anpassungsfähigkeit ermöglicht die Verwendung eines einzelnen HVAC Systems, das sowohl für eine hohe Ausgangsleistung in den Zeitspannen, in denen der Fahrzeugmotor läuft, wie für eine niedrige Ausgangsleistung in den Zeitspannen, in denen der Fahrzeugmotor abgestellt ist, eingesetzt werden kann, um fortzufahren, die Fahrer- und/oder die Schlafbereiche zu kühlen oder zu erwärmen. Die Koordination dieser Anpassung wird von der Steuerung des Energiemanagements 50 geliefert, das die Drehzahl des Kompressors verringert, wenn der Fahrzeugmotor abgestellt ist. Diese Regulierung verlängert die Dauer der Heizungs- und Kühlungsvorgänge, da die Ladung der verfügbaren Energiequellen langsamer verbraucht wird. Das heißt, dass mit einer verringerten Drehzahl des Kompressors auch der Bedarf an elektrischer Energie vermindert wird.
Ein anderer Aspekt der 1 ist eine Heizungsmethode, bei der sich in jedem Luftkanal, der zu den Fahrzeugbereichen führt, ein Lufterhitzer befindet. Zum Beispiel ist der Lufterhitzer 270 im Luftkanal 272 untergebracht, der zum Fahrerbereich 23 führt. Der Lufterhitzer 274 ist im Luftkanal 276 untergebracht, der zum Schlafbereich 27 führt. Die Lufterhitzer 270 und 274 können irgendwelche in Fachkreisen bekannte Lufterhitzer sein, wie zum Beispiel ein elektrischer Widerstand-Erhitzer. Der Vorteil der Verwendung eines elektrischen Widerstand-Erhitzers besteht darin, dass ein derartiger Erhitzer es ermöglicht, dass der Heizungsbetrieb vollständig abgeschlossen wird, ohne auf den Fahrzeugmotor oder zusätzlichen Treibstoff angewiesen zu sein, nur gestützt auf die Umwälzlüfter und die Heizgeräte, die durch die ersten und/oder zweiten Energiequellen oder das Stromerzeugungssystem des Fahrzeugs mit Energie versorgt werden. In einer bevorzugten Ausführung können die Lufterhitzer 270 und 274, anstelle in den Luftkanälen 272 und 276, in denselben Umschließungen wie die Umwälzlüfter 210 und 212, aber noch auf dem Weg der Gasströmung, die in die Fahrerbereiche und/oder Schlafbereiche einfließt, untergebracht sein. Wenn sich die Lufterhitzer in denselben Umschließungen wie die Umwälzlüfter befinden, kann sich dort eine Verringerung des Installationsaufwands ergeben.
Um im Heizungsmodus zu arbeiten, betreibt die Steuerung des Energiemanagements 50 nicht den Kompressor 14, sondern sie betätigt nur den Umwälzlüfter 210 und den Lufterhitzer 270, um die notwendige Heizung für den Fahrerbereich bereitzustellen, und/oder sie betreibt den Umwälzlüfter 212 und den Lufterhitzer 274, um die notwendige Heizung für den Schlafbereich bereitzustellen. Diese Konfiguration liefert zusätzliche Einsparungen beim Energieverbrauch und gewährleistet eine längere Betriebsdauer im Heizungsmodus. Im Kühlungsmodus des Betriebs sind die Lufterhitzer 270 und 274 einfach nicht aktiviert. Wenn eine Temperaturregelung gewünscht wird, kann die Steuerung des Energiemanagements 50 vorzugsweise eine Pulsbreiten-Modulator-Steuerung der Energie für die Lufterhitzer 270 und 274 bereitstellen. Wahlweise kann die Temperaturregelung von einer in Fachkreisen bekannten Steuertür (nicht dargestellt) durchgeführt werden, die in jedem Luftkanal (wenn vorhanden) platziert wird, um den Luftstrom (der von den Verdunstern 22 und/oder 26 gekühlt oder nicht gekühlt werden kann) zu lenken, der über die Lufterhitzer 270 und/oder 274 streicht, um die Temperatur der Luft zu regeln, die in ihre jeweiligen Fahrzeugbereiche strömt.
Die Ausführungsform der 1 kann andere Konfigurationen einschließen. Zum Beispiel kann der erste oder der zweite Kühlweg entfernt werden, so dass nur eine Expansionsvorrichtung, ein Verdunster, ein Lüfter und keine Batterie 30 vorhanden ist. Mit dieser Konfiguration kann nur die Temperatur in einem Fahrzeugbereich geregelt werden. Alternativ kann das Kanalnetz dazu benutzt werden, die temperaturgeregelte Luft in getrennte Kanäle zu lenken, wobei ein erster Kanal zum Fahrerbereich und ein zweiter Kanal zum Schlafbereich führt. In dieser Ausführung kann eine Steuertür oder Ähnliches verwendet werden, um die temperaturgeregelte Luft in einen Bereich unter Ausschluss des anderen Bereichs zu lenken.
2 ist ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform des HVAC Systems 10, entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das HVAC System 10 die ser Ausführung umfasst einen primären Kühlmittelkreislauf 170, der ein erstes Kühlmittel enthält, und einen sekundären Kühlmittelkreislauf 172, der ein zweites Kühlmittel enthält. Das erste Kühlmittel im primären Kühlmittelkreislauf 170 wird durch den Kompressor 14 angetrieben, wobei das Kühlmittel den Verdampfer 16, den Empfänger und Trockner 18, die Kühlmittel dosierende Vorrichtung 20, den Erstes Kühlmittel-zu-zweites Kühlmittel Wärmeaustauscher 174 passiert und zum Kompressor 14 zurückläuft.
Im Gegensatz dazu wird das zweite Kühlmittel im sekundären Kühlmittelkreislauf 172 von einer Niederdruckflüssigkeitspumpe 176 angetrieben. Die Flüssigkeit passiert einen Zweites Kühlmittel-zu-Luft Wärmeaustauscher 178, ein Heizgerät 180 und den Erstes Kühlmittel-zu-zweites Kühlmittel Wärmeaustauscher 174. Der Erstes Kühlmittel-zu-zweites Kühlmittel Wärmeaustauscher 174 dient als das Wärmeaustauschmedium zwischen dem primären Kühlmittelkreislauf 170 und dem sekundären Kühlmittelkreislauf 172. Der Zweites Kühlmittel-zu-Luft Wärmeaustauscher 178 kühlt die vom Umwälzlüfter 210 gelieferte Luft, die dann mit oder ohne Kanalnetz zum Fahrzeugbereich strömt. Um den Fahrzeugbereich mit Wärme zu versorgen, muss die Steuerung des Energiemanagements 50 nur die Niederdruckflüssigkeitspumpe 176 und das Heizgerät 180 im sekundären Kühlmittelkreislauf 172 und den Umwälzlüfter 210 betreiben. Das heißt, dass keine Energie an den Kompressor 14 abgegeben wird, und demzufolge der Umfang des Energieverbrauchs reduziert wird, was die Zeitdauer erweitert, in der die Heizung erfolgen kann.
3 zeigt eine alternative Konfiguration der 2, wobei sich zwei Zweites Kühlmittel-zu-Luft Wärmeaustauscher 178 und 182 im sekundären Kühlmittelkreislauf 172 be finden. Ein Zweites Kühlmittel-zu-Luft Wärmeaustauscher 178 kann eingesetzt werden, um den Fahrerbereich 23 mit Kühlung/Heizung zu versorgen, während der andere Wärmeaustauscher 180 verwendet werden kann, um den Schlafbereich 27 mit oder ohne Kanalnetz mit Kühlung/Heizung zu versorgen. Der Durchlauf der Flüssigkeit entweder durch einen der Wärmeaustauscher 178 und 182 oder durch beide kann von der Steuerung des Energiemanagements 50 gewählt werden, die abwechselnd das Ventil 184, das zum Wärmeaustauscher 180 führt, und das Ventil 186, das zum Wärmeaustauscher 178 führt, regelt. Auf diese Weise macht es die Regelung der Ventile 184 und 186 möglich, den Fahrerbereich 23, den Schlafbereich 25 oder beide Bereiche zu einer bestimmten Zeit in luftgekühltem oder beheiztem Zustand zu halten.
4 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das HVAC System ein Umkehrkreislaufheizungssystem verwendet. Das Umkehrkreislaufheizungssystem ermöglicht es auch, dass der Heizungsbetrieb vollständig abgeschlossen wird, ohne auf den Fahrzeugmotor oder zusätzlichen Treibstoff angewiesen zu sein, nur gestützt auf den Kompressor und die Umwälzlüfter, die durch die ersten und/oder zweiten Energiequellen oder das Stromerzeugungssystem des Fahrzeugs mit Energie versorgt werden. Wie bei der in 1 dargestellten Ausführungsform kann das HVAC System 10 der 4 einen Motor 12, einen Kompressor 14, Umwälzlüfter 210 und 212, ein Energiemanagementsystem 50 und ein Batteriemanagementsystem 60 umfassen. Der Motor kann ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein gleichlaufender Dauermagnetmotor sein, der mit dem Kompressor 14 operativ gekoppelt ist. Der Kompressor 14 ist ein Kompressor mit einer fortlaufend veränderlichen Drehzahl, der durch den Motor 12 angetrieben wird. Mit dem Kompressor ist ein Umschaltventil 502 verbunden, das es dem Kompressor ermöglicht, Kühlmittel in eine Kühlungsrichtung, die durch einfache Pfeile 520 bezeichnet ist, oder in eine Heizungsrichtung, die durch Doppelpfeile 522 bezeichnet ist, zu pumpen.
Was die Kühlungsleitung anbelangt, so lässt der Kompressor 14 Kühlmittel durch einen Wärmeaustauscher 504 zirkulieren (der im Kühlungsmodus als ein Kondensator fungiert, indem das heiße komprimierte Gas vom Kompressor zu einer Flüssigkeit kondensiert, während Wärme abgegeben wird) zu einem ersten Durchlauf 510, der Luft thermisch bearbeitet, die zum Fahrerbereich 23 gelangt, und/oder zu einem zweiten Durchlauf 512, der Luft thermisch bearbeitet, die zum Schlafbereich 27 des Fahrzeugs gelangt. Was den ersten Durchlauf 510 betrifft, so läuft das Kühlmittel durch eine Kühlmittel dosierende Vorrichtung 20 und durch einen Wärmeaustauscher 506 (der im Kühlungsmodus als ein Verdunster fungiert, indem das flüssige Kühlmittel verdampft und ein Gas bildet, während Wärme von der Kühlmittelflüssigkeit absorbiert wird). Durch den Umwälzlüfter 210 wird Luft über den Wärmeaustauscher 506 geblasen. Nachdem die Luft durch den Wärmeaustauscher 506 abgekühlt worden ist, setzt sie ihren Weg zum Fahrerbereich 23 des Fahrzeugs fort.
Ein zweiter Durchlauf 512 verläuft parallel zum ersten Durchlauf 510, wobei das Kühlmittel von einer Kühlmittel dosierenden Vorrichtung 24 und von einem Wärmeaustauscher 508 (der im Kühlungsmodus als ein Verdunster fungiert, indem das flüssige Kühlmittel verdampft und ein Gas bildet, während Wärme von der Kühlmittelflüssigkeit absorbiert wird) geliefert wird. Durch den Umwälzlüfter 212 wird Luft über den Wärmeaustauscher 508 geblasen. Nachdem die Luft durch den Wärmeaustauscher 508 abgekühlt worden ist, setzt sie ihren Weg zum Schlafbereich 27 des Fahrzeugs fort. Der Wärmeaustauscher 508 des zweiten Durchlaufs 512 kann kleiner als der Wärmeaustauscher 506 des ersten Durchlaufs 510 sein, da der Schlafbereich 27 üblicherweise kleiner ist als der Fahrerbereich 23.
Die zwei Kühlmittelkreisläufe können durch den Einsatz der Ventile 28, 29, 514 und 516 wählbar sein. Die Einbeziehung derartiger Ventile ermöglicht die Klimatisierung des Fahrerbereichs 23, des Schlafbereichs 25 oder beider Bereiche zu einer bestimmten Zeit. Wenn nur der Fahrerbereich temperaturgeregelt wird, sind die Ventile 28 und 514 geöffnet und die Ventile 29 und 516 geschlossen. Wenn nur der Schlafbereich temperaturgeregelt wird, sind als ähnliches Merkmal die Ventile 29 und 516 geöffnet und die Ventile 28 und 514 geschlossen. Die Ventile 28, 29, 514 und 516 können von der Steuerung des Energiemanagements 50 geregelt werden. Sobald das Kühlmittel den Wärmeaustauscher 506 und/oder 508 passiert hat, kehrt es zum Umschaltventil 502 und zum Kompressor 14 zurück, um den Vorgang erneut zu starten.
Was die Heizungsleitung anbelangt, so wird das Umschaltventil 502 so gesteuert, dass das vom Kompressor geförderte Kühlmittel in die umgekehrte Richtung fließt, wie es durch die Doppelpfeile 522 angezeigt wird. Auf diese Weise veranlasst der Kompressor das Kühlmittel, den ersten Durchlauf 510 und/oder den zweiten Durchlauf 512 zu durchfließen, je nachdem, ob die Ventile 28 und 514 und die Ventile 29 und 516 geöffnet oder geschlossen sind. Wenn die Ventile 28 und 514 geöffnet sind, strömt das Kühlmittel durch den Wärmeaustauscher 506 (der im Heizungsmodus als ein Kondensator fungiert, wenn das heiße Gas zu einer Flüssigkeit kondensiert wird, während es Wärme abgibt). Durch den Umwälzlüfter 210 wird Luft über den Wärmeaustauscher 506 geblasen. Nachdem die Luft durch den Wärmeaustauscher 506 erwärmt worden ist, setzt sie ihren Weg zum Fahrerbereich 23 des Fahrzeugs fort. Unterdessen läuft das Kühlmittel weiter, vom Wärmeaustauscher 506 durch die Kühlmittel dosierende Vorrichtung 20 zum Wärmeaustauscher 504 (der im Heizungsmodus als ein Verdunster fungiert). Nachdem das Kühlmittel durch den Wärmeaustauscher 504 geflossen ist, kehrt es zum Umschaltventil 502 und zum Kompressor 14 zurück.
Wenn die Ventile 29 und 516 geöffnet sind, fließt das Kühlmittel durch den Wärmeaustauscher 508 (der im Heizungsmodus als ein Kondensator fungiert). Durch einen Umwälzlüfter 212 wird Luft über den Wärmeaustauscher 508 geblasen. Nachdem die Luft durch den Wärmeaustauscher 508 erwärmt worden ist, setzt sie ihren Weg zum Schlafbereich 27 des Fahrzeugs fort. Unterdessen läuft das Kühlmittel weiter, vom Wärmeaustauscher 506 durch die Kühlmittel dosierende Vorrichtung 24 zum Wärmeaustauscher 504 (der im Heizungsmodus als ein Verdunster fungiert). Nachdem das Kühlmittel durch den Wärmeaustauscher 504 geflossen ist, kehrt es zum Umschaltventil 502 und zum Kompressor 14 zurück, um den Vorgang erneut zu starten.
Ähnlich der in 1 dargestellten Ausführungsform kann die Ausführungsform der 4 einen Kompressor 14 mit veränderlicher Drehzahl beinhalten, der durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor oder einen gleichlaufenden Dauermagnetmotor 12 angetrieben wird; Die Regelung der Heizungs- und Kühlungsvorgänge kann von der Steuerung des Energiemanagements 50 geliefert werden; die verfügbaren Energiequellen können eine erste Energiequelle 40, eine zweite Energiequelle 42 und/oder das Hauptstromerzeugungssystem 44 des Fahrzeugs umfassen; auch die Umwälzlüfter 210 und 212 können eine fortlaufend veränderliche Drehzahl aufweisen, die von der Steue rung des Energiemanagements 50 geregelt werden kann; und die Steuerung des Batteriemanagements 50 kann die verfügbaren Energiequellen überwachen und regeln, wenn der Fahrzeugmotor abgestellt ist.
Außerdem kann die Ausführungsform der 4, wie die Ausführungsform der 1, alternative Konfigurationen beinhalten. Zum Beispiel kann der erste oder der zweite Kühlweg entfernt werden, so dass nur eine Kühlmittel dosierende Vorrichtung, ein Wärmeaustauscher, durch den Luft hindurchströmt, und ein Lüfter vorhanden sind. Mit dieser Konfiguration kann nur die Temperatur in einem Fahrzeugbereich geregelt werden. Alternativ kann ein Kanalnetz benutzt werden, wobei der Luftkanal, der die temperaturgeregelte Luft kanalisiert, in mehrere Kanäle aufgeteilt werden kann, so dass ein erster Kanal zum Fahrerbereich und ein zweiter Kanal zum Schlafbereich führt. In dieser Ausführung kann eine Steuertür oder Ähnliches verwendet werden, um die temperaturgeregelte Luft in einen Bereich unter Ausschluss des anderen Bereichs zu lenken.
Der Energiebedarf und der Betrieb des HVAC Systems 10 werden jeweils von der Steuerung des Batteriemanagements 60 und von der Steuerung des Energiemanagements 50 bearbeitet. Die zwei Steuerungen 50 und 60 können Software-Regelkreise mit zugehöriger Apparatur oder Schaltkreise sein, und sie können körperlich in getrennten Geräten oder in demselben Gerät untergebracht sein.
Die Steuerung des Batteriemanagements 60 wird nunmehr unter Bezugnahme auf 5(a) erörtert. Die Steuerung des Batteriemanagements 60 kann eine Reihe von verschiedenen Zielsetzungen verwirklichen, einschließlich: (1) Maximierung der zur Nutzung durch das HVAC System zur Verfügung stehenden elektrischen Energie; (2) Garantie, dass genügend elektrische Energiereserve verfügbar ist, um den Fahrzeugmotor zu starten; (3) Verfolgen der bisherigen Verwendung (Ladung und Entladung) aller verbundenen Batterien; (4) Ermittlung des aktuellen Ladezustands aller verbundenen Batterien; (5) Ermittlung der gegenwärtig zu erwartenden Lebenserwartung aller verbundenen Batterien ohne Rücksicht auf ihre jeweilige Ladungshöhe; (6) Garantie, dass die Ladungs- und Entladungszyklen aller verbundenen Batterien mit dem vom Anwender bevorzugten Kompromiss zwischen der Batterielebensdauer und der zur Verfügung stehenden gespeicherten Energie im Einklang stehen; und (7) Vermeidung der Überlastung des Batterieladesystems.
Die Steuerung des Batteriemanagements 60 übt ihre Funktion dadurch aus, dass sie mit einer Mehrzahl von Energiequellen 40 und 42, einer Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 und einer Ladevorrichtung 61 verbunden ist. In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Lastkraftwagen sieben Batterien besitzen, wobei vier Batterien parallel geschaltet sind, um eine leistungsstarke erste Batteriereihe wie die erste Energiequelle 40 bereitzustellen, und wobei die drei verbleibenden Batterien parallel geschaltet sind, um eine zweite, etwas kleinere Batteriereihe wie die zweite Energiequelle 42 bereitzustellen.
Die erste Energiequelle 40 und/oder die zweite Energiequelle 42 sind mit einer Trennvorrichtung 61, Temperatur- und Spannungsfühlern 63 und einem Motorstarter 64 verbunden. Die ersten und zweiten Energiequellen (beispielsweise die ersten und zweiten Batteriereihen) sind mit einer Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 verbunden, um es den ersten und zweiten Energiequellen zu ermöglichen, elektrisch kombiniert oder getrennt zu werden.
Die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 kann elektrisch verbunden sein, um die einzelnen Bestandteile des HVAC Systems 10 mit Energie zu versorgen, und sie kann eventuell mit anderem strombetriebenem Zubehör, wie Mikrowellenherden, Fernsehgeräten, Stereoanlagen, Kühlschränken etc. verbunden werden. Die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 ist so gestaltet, dass sie mehrere Energiequellen elektrisch aufteilen und kombinieren kann, um die Verfügbarkeit von Energie für die Bestandteile des HVAC Systems 10 und den Motorstarter 64 zu maximieren. Darüber hinaus kann die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 mehrere Batterien elektrisch aufteilen und kombinieren, um eine Überlastung einer Ladevorrichtung 62, wie zum Beispiel eines Generators, durch auswählendes Kombinieren der entladenen Energiequellen zu teilweise geladenen Packungen zu vermeiden.
Die Temperatur- und Spannungsfühler 63 können die Spannung und die Temperaturen der ersten und zweiten Energiequellen 40 und 42 überwachen. Diese Fühler können dazu verwendet werden, den Ladezustand der Energiequellen zu überwachen, um die Energiequellen davor zu bewahren, allzu sehr entladen zu werden.
Der Motorstarter ist mit einer der Energiequellen verbunden, um genügend Energie bereitzustellen, um den Fahrzeugmotor zu starten. Der Motorstarter 64 kann mit der ersten Energiequelle oder mit der zweiten Energiequelle elektrisch verbunden sein, aber nicht mit beiden. Außerdem kann der Motorstarter 64 einen fakultativen Anschluss 65 besitzen, der unmittelbar zur Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 führt.
Die Ladevorrichtung 62 kann mit der Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 verbunden sein, so dass die elektrische Energieleistung von der Ladevorrichtung 62 wahlweise zu jeder einzelnen Energiequelle oder zu einer Kombination von verbundenen Energiequellen weitergeleitet werden kann. Die Ladevorrichtung kann eine oder mehrere der folgenden Vorrichtungen umfassen: den Fahrzeugmotorgenerator, einen zusätzlichen Generator, einen Energieanzeigeanschluss und andere Ladevorrichtungen.
Die Steuerung des Batteriemanagements 60 kann eine Steuerlogikschaltung 66 und einen Speicher 67 beinhalten und kann mit den Spannungs- und Temperaturfühlern 63, einer Anwenderschnittstelle 51 (die einen Bildschirm 310 und eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 312 umfassen kann), mit der Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 und mit der Steuerung des Energiemanagements 50 verbunden sein. Dadurch kann die Steuerung des Batteriemanagements 60 Messwerte von den Spannungs- und Temperaturfühlern 63 und Anwenderprioritäten von der Anwenderschnittstelle 51 aufnehmen. Außerdem kann die Steuerung des Batteriemanagements 60 Informationen in bidirektionaler Weise von der Steuerung des Energiemanagements 50 empfangen und zu ihr senden. Die Steuerung des Batteriemanagements 60 wird eingesetzt, um den Grad der Entladung unter den Energiequellen zu bestimmen und diesen dem vom Anwender bevorzugten Kompromiss zwischen der täglichen Batterieleistung und der Höchstlebensdauer der Energiequellen anzupassen. Darüber hinaus kann der Speicher 67 der Steuerung des Batteriemanagements dazu verwendet werden, historische Daten, wie zum Beispiel Spannungs- und Temperaturpegel, die während der vorhergehenden Lade- und Entladezyklen gewonnen wurden, zu protokollieren, und diese historischen Daten zu nutzen, um die zu gelassene Tiefentladung so zu modifizieren, dass die Vollständigkeit künftiger Ladezyklen gewährleistet ist.
In einem konventionelleren HVAC System wird die Messung der Batteriespannung bei Lastbetrieb eingesetzt, um den Ladezustand zu ermitteln. Obwohl diese Methode kostengünstig und leicht anzuwenden ist, so ist sie doch höchst ungenau. Die Spannung kann dazu benutzt werden, um den Ladezustand fehlerfrei zu bestimmen, aber nur dann, wenn derartige Messungen im Zusammenhang mit Temperaturmessungen vorgenommen werden, und nur, nachdem die Batterie während einer Zeitspanne oder eine Zeit lang (üblicherweise über eine Stunde lang) "im Ruhezustand" (das heißt, entladen) gewesen ist. Im Gegensatz dazu kann die Steuerung des Batteriemanagements 60 der 5(a) mehrere Quellen von historischen Daten und Echtzeitangaben nutzen, um die Menge an gespeicherter Energie, die zur Nutzung zur Verfügung steht, genauer festzustellen. Außerdem ermöglicht die Steuerung des Batteriemanagements 60 eine sehr präzise "Ruhespannung"-Messung des Ladezustands, der für die Energiereserve durchzuführen ist, sogar wenn Teile der Energieversorgung der Batterie noch in Betrieb sind. Im Folgenden werden die Vorgänge erörtert, die während des Entladens der Energiequellen, wenn der Fahrzeugmotor abgestellt wird, während des Anlauf des Fahrzeugmotors, und während des Aufladens der Energiequellen, wenn der Fahrzeugmotor gestartet wird, auftreten. Bei der nachstehenden Erörterung sind die ersten und zweiten Energiequellen Batteriereihen, aber es sollte erkennbar sein, dass jede Art von Energiequelle eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann eine der ersten und zweiten Energiequellen ein externer AC Anschluss sein.
Der Prozess, den die Steuerschaltung des Batteriemanagements während der Entladung durchläuft, wird in 6(a) präsentiert. Die Entladung der ersten und/oder zweiten Batteriereihen findet statt, während der Fahrzeugmotor, wie in Schritt 402 dargestellt wird, abgestellt ist, und von der Steuerung des Energiemanagements 50 ("PMC") wird der Steuerung des Batteriemanagements 60 ("BMC"), wie in Schritt 404 dargestellt, ein Steuerbefehl erteilt, die Bestandteile des HVAC Systems 10 mit Energie zu versorgen. Nach Empfang des Steuerbefehls von der Steuerung des Energiemanagements 50 würde die Steuerung des Batteriemanagements 60 im Schritt 406 durch ihre Steuerschaltung 66 den Ladezustand der Kombination der ersten und zweiten Batteriereihen ermitteln, indem sie die aktuelle Spannung und Temperatur der kombinierten Batteriereihen, die sie von den Spannungs- und Temperaturfühlern 63 erhielt, mit den historischen Daten vergleichen würde, die im Speicher 67 der Steuerung 60 abgelegt wurden. Verfügen die beiden Energiequellen über eine ausreichende Ladung, setzt sich der Prozess zu Schritt 408 fort. Ist keine ausreichende Ladung vorhanden, setzt sich der Prozess zu Schritt 430 fort.
Bei Schritt 408, nach der Feststellung, dass gespeicherte Energie in ausreichendem Maß zur Verwendung verfügbar wäre, würden die ersten und zweiten Batteriereihen durch die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 elektrisch so kombiniert werden, dass sie die Bestandteile des HVAC Systems 10 mit Energie versorgen. Der Energieentzug (Strom) durch das HVAC System 10 wird überwacht, und die Energieabnahmerate in den kombinierten Batteriereihen 40 und 42 wird aufgezeichnet. Der Energieentzug und die Abnahmerate werden mit den historischen Messwerten verglichen, um den ungefähren Stand der Sulfatierung der Batterieplatten zu bestimmen, und von diesem Vergleich wird der ungefähre Zustand der Batterien hergeleitet.
Unter einer vorgegebenen Belastung wird die Spannung von Batterien, die sich einem schwachen Zustand befinden, schneller abnehmen, als die von Batterien, die sich in einem guten Zustand befinden. Infolgedessen kann prognostiziert werden, dass Batterien in einem schwachen Zustand eine geringere gespeicherte Gesamtmenge an Energie besitzen werden, auch wenn die tatsächliche Spannung zu jeder vorgegebenen Zeit die gleiche sein mag. In einem Beispiel können die Messwerte bezogen auf die maximale Entladung der Batterie und/oder bezogen auf die durchschnittliche Entladung der Batterie während einer Betriebszeit der Energiequellen gesammelt werden, wenn die Energiequellen Batterien sind. Diese Messwerte können im Zeitablauf zusammengetragen werden, so dass im Speicher 67 in der Steuerung des Batteriemanagements 60 eine Entwicklung der maximalen und/oder durchschnittlichen Entladung der Batterien gespeichert wird.
Während die Spannung der kombinierten Batterien sinkt, wird die Steuerlogikschaltung 66 des Batteriemanagements die Temperatur, die Belastung, das Ausmaß der Spannungsänderung, den geschätzten Zustand der Batterie, die gespeicherten historischen Messwerte und die über die Anwenderschnittstelle 51 eingegebene Präferenz des Anwenders benutzen, um den bevorzugten Spannungspunkt festzulegen, bei dessen Erreichen die ersten und zweiten Batteriereihen 40 und 44 unter Verwendung der Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 abzuschalten sind. Die Anwenderschnittstelle kann einen Bildschirm 310 und eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 312, wie zum Beispiel ein Keyboard, eine Steuerkonsole oder Ähnliches umfassen, so dass der Fahrzeugbenutzer Anwenderpräferenzen für den Betrieb des HVAC Systems 10 eingeben kann. Zum Beispiel können die Anwenderpräferenzen die Betriebsart des HVAC Systems umfassen, wie Ausschalt-, Heizungs- und Kühlungsmodus des Betriebs.
Die Anwenderpräferenzen, die unter Verwendung der Anwenderschnittstelle 51 eingegeben werden, sind also diejenigen Faktoren, die das Ausmaß beeinflussen, in dem die Batteriereihen 40 und 42 entladen werden dürfen. Ein Beispiel hierfür ist die Lebensdauer der Batterie bis zu ihrem Austausch. Die Lebensdauer der Batterie bis zu ihrem Austausch betrifft die Entladungstiefe der Energiequelle ebenso wie die Entladungsrate, das heißt, sie ist eine Funktion der minimalen Batteriespannung, die durch die Batteriebelastung eingestellt wird. Beispielsweise könnte eine leicht belastete Batterie, die stetig bis zu 11,8 V entladen wurde, nur 100 Lade-/Entladungszyklen überdauern, während eine schwer belastete Batterie, die stetig bis zu 11,8 V entladen wurde, 200 Lade-/Entladungszyklen überdauern würde. Wenn eine Anwenderpräferenz eine lange Batterielebensdauer vorsieht, werden die Batterien weniger tief entladen und sie werden länger halten. Da dann jedoch weniger gespeicherte Energie für den Einsatz zur Verfügung stehen wird, müssen mehr Batterien mitgeführt werden, um Kühlung oder Heizung im vorgegebenen Umfang bereitzustellen, als es der Fall sein würde, wenn eine kürzere Batterielebensdauer (und tiefer entladene Batterien) gewählt worden wäre(n).
Außerdem kann der Bildschirm 310 der Anwenderschnittstelle 51 einem Anwender, wie zum Beispiel einem Fahrzeugbenutzer, Informationen in Bezug auf das HVAC System 10 liefern. Das Display kann eine oder mehrere alphanumerische Darstellungen, einen Graph oder Ähnliches umfassen. Das Display kann beispielsweise die innere Raumtemperatur des Fahrzeugs, die äußere Umgebungstemperatur, die Drehzahlen der Umwälzlüfter, die Inanspruchnahme der für das HVAC System bereitgestellten Energiequelle, oder der bereitgestellten Energie quellen und Warnmeldungen etc. beinhalten. In einem Beispiel kann das Display dem Fahrzeugbenutzer für jede Energiequelle, wenn die erste Energiequelle und die zweite Energiequelle Batterien sind, die aktuellen ungefähren Batterieladungen anzeigen.
Während der HVAC Betrieb andauert, kann die kombinierte Spannung der Batteriereihe laufend überwacht werden. Der bevorzugte Spannungspunkt wird auf der Grundlage der Temperatur, der Belastung, der Rate der Spannungsänderungen, des geschätzten Batteriezustands, der gespeicherten historischen Messwerte und der Anwenderpräferenzen festgelegt, so dass der bevorzugte Spannungspunkt zu einer vorgegebenen Spannungshöhe wird, die, beruhend auf den umgebenden Betriebsbedingungen, dynamisch bestimmt wird, wobei sich die ersten und zweiten Energiequellen trennen, wenn die kombinierte Spannung unter die vorgegebene Höhe fällt. Wenn die Spannung nicht unter den bevorzugten Spannungspunkt fällt, wird die Überwachung des Energieentzugs und der Abnahmerate fortgesetzt. Wenn die kombinierte Spannung der Batteriereihe schließlich bis auf den bevorzugten Spannungspunkt abfällt, gibt die Steuerlogikschaltung 66 des Batteriemanagements der Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 in Schritt 410 die Anweisung, die ersten und zweiten Batteriereihen 40 und 42 voneinander elektrisch zu trennen. Sobald die Trennung erfolgt ist, wird die Energie für das HVAC allein von der ersten Batteriereihe 40 geliefert, während die zweite Batteriereihe (das heißt, die mit dem Motorstarter 64 verbundene Batteriereihe) isoliert ist, und die Spannung der zweiten Batteriereihe sich teilweise zu einem unbelasteten Ruhezustand erholt. Es wird zur rechten Zeit möglich sein, diese "Ruhe"-Spannung zu nutzen, um den Ladezustand der isolierten Batteriereihe genau zu bestimmen. Sodann wird durch die Steuerlogikschaltung 66 eine Feststel lung darüber getroffen, ob aus der isolierten Batteriereihe weitere Energie betriebssicher abgezogen werden kann.
Bei andauerndem Betrieb des HVAC Systems 10 sinkt die Spannung der ersten Batteriereihe 40 weiter. Die Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements analysiert erneut die Batteriereihe 40 durch den Vergleich der Echtzeitmesswerte für den Energieentzug, die Temperatur und das Ausmaß des Spannungsabfalls mit den gespeicherten historischen Messwerten und den Eingabepräferenzen des Anwenders, um die verfügbare gespeicherte Energie zu ermitteln. Es wird eine Feststellung über die minimale Trennspannung des Systems, das heißt über die Abschaltspannung der Batterie, getroffen. Ausgehend von dieser Feststellung wird eine Berechnung der für die Batterieentleerung geschätzten Zeit für die erste Batterie durchgeführt und diese geschätzte Zeitinformation wird der Steuerung des Energiemanagements 50 übermittelt. Da die geschätzte Zeitinformation sowohl auf feststehenden Daten (wie zum Beispiel historischen Daten und Anwendereingaben) und Echtzeitdaten (wie zum Beispiel aktuellen Spannungspegeln und Temperaturen) beruht, kann ein Wechsel in der Leistung, in der Systembelastung oder in den Umgebungsbedingungen während des Betriebs des HVAC Systems 10 die geschätzte Zeitinformation verändern, was die berechnete verfügbare Laufzeit des Systems verlängern oder verringern kann.
Während das HVAC System 10 den Betrieb fortsetzt, wird der Spannungspegel der ersten Batterie im Schritt 410 überwacht. Solange dort ausreichend Spannung vorhanden ist, wird die Steuerung des Batteriemanagements damit fortfahren, die HVAC Komponenten durch die erste Batteriereihe mit Energie versorgen zu lassen, und den Spannungspegel der ersten Batteriereihe überwachen. Allerdings kann die Energie von der ers ten Batteriereihe 40 letzten Endes bis zu dem Punkt verbraucht werden, an dem die Spannung auf den Pegel fällt, den die Steuerlogikschaltung als das erlaubte Minimum berechnet hat, das heißt, bis zur Abschaltspannung, und die erste Batteriereihe 40, wie unter Schritt 412 dargestellt, abschalten. Wenn ein kontinuierlicher Betrieb des HVAC Systems 10 gewünscht wird, wird die Steuerlogikschaltung 66 des Batteriemanagements die Ruhespannungsmessung der zweiten Batteriereihe 42 (die isoliert gewesen ist) einsetzen, um in Schritt 414 zu ermitteln, wie viel, wenn überhaupt, zusätzliche Energie von dieser Batteriereihe betriebssicher abgezogen werden kann. Wenn Energie aus der zweiten Batteriereihe zur Verfügung steht (der "Ja" Pfad) wird die Steuerlogikschaltung 66 mit Schritt 416 einen zweiten niedrigeren Spannungspegel festsetzen und die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 anweisen, Energie wieder von der zweiten Batteriereihe 42 weiterzuleiten. Während das HVAC System 10 den Betrieb fortsetzt, wird der Spannungspegel der zweiten Batterie überwacht. Wenn der Spannungspegel oberhalb der zweiten Spannungsebene bleibt, verbleibt der Prozess bei Schritt 416. Sodann wird damit fortgefahren, dass Energie von der zweiten Batteriereihe 42 geliefert wird, bis zu dem Zeitpunkt, in dem die Spannung der zweiten Batteriereihe 42 unter die zweite niedrigere Spannungsebene fällt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 in Schritt 420 anweisen, die gesamte Energiezufuhr zum HVAC System 10 abzuschalten. Wenn aber keine zusätzliche Energie mehr von der zweiten Batteriereihe 42 zur Verfügung steht, wird die Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 in Schritt 420 einfach anweisen, die gesamte Energiezufuhr zum HVAC System 10 abzuschalten.
Dagegen ermittelt die Steuerung des Batteriemanagements in Schritt 430, wenn bei Schritt 406 in beiden Batteriereihen nur unzureichende Ladung vorhanden ist, ob in einer von beiden Batteriereihen ausreichende Ladung vorhanden ist. Wenn in keiner der beiden Batteriereihen ausreichende Ladung vorhanden ist (der "Nein" Pfad), wird die Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 in Schritt 430 anweisen, die gesamte Energiezufuhr zum HVAC System 10 abzuschalten. Wenn in einer der Batteriereihen ausreichend Energie vorhanden wäre (der "Ja" Pfad), würde die jeweilige Batteriereihe mit ausreichender Ladung in Schritt 432 die Komponenten des HVAC Systems 10 mit Energie versorgen. Die Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements analysiert die gewählte Batteriereihe durch den Vergleich der Echtzeitmesswerte für den Energieentzug, die Temperatur und das Ausmaß des Spannungsabfalls mit den gespeicherten historischen Messwerten und den Eingabepräferenzen des Anwenders, um die verfügbare gespeicherte Energie zu ermitteln. Es wird eine Feststellung über die minimale Trennspannung des Systems, das heißt über die Abschaltspannung der Batterie, getroffen. Ausgehend von dieser Feststellung wird eine Berechnung der für die Batterieentleerung geschätzten Zeit für die gewählte Batterie durchgeführt und diese geschätzte Zeitinformation wird der Steuerung des Energiemanagements 50 übermittelt. Da die geschätzte Zeitinformation sowohl auf feststehenden Daten (wie zum Beispiel historischen Daten und Anwendereingaben) und Echtzeitdaten (wie zum Beispiel aktuellen Spannungspegeln und Temperaturen) beruht, kann ein Wechsel in der Leistung, in der Systembelastung oder in den Umgebungsbedingungen während des Betriebs des HVAC Systems 10 die geschätzte Zeitinformation verändern, was die berechnete verfügbare Laufzeit des Systems verlängern oder verringern kann.
Während das HVAC System 10 den Betrieb fortsetzt, wird der Spannungspegel der gewählten Batteriereihe überwacht. Solange dort ausreichend Spannung vorhanden ist, wird die Steuerung des Batteriemanagements damit fortfahren, den Prozess zu überwachen. Letzten Endes kann die Energie von der gewählten Batteriereihe allerdings bis zu dem Punkt verbraucht werden, an dem die Spannung auf den Pegel fällt, den die Steuerlogikschaltung als das erlaubte Minimum berechnet hat, das heißt, bis zur Abschaltspannung. Sobald der Spannungspegel unter dieses Minimum fällt, wird die Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 in Schritt 434 anweisen, die gewählte Batteriereihe abzuschalten; dadurch wird die gesamte Energiezufuhr zum HVAC System 10 in Schritt 420 abgeschaltet.
Am Ende des Entladeperiode hat die Steuerung des Batteriemanagements 60 die Batteriereihen 40 und 42 so eingestellt, dass die erste Batteriereihe 40 tiefer entladen ist als die zweite Batteriereihe 42. In der zweiten Batteriereihe 42, die die Batteriereihe ist, mit der der Motorstarter 64 verbunden ist, ist zusätzliche Energie reserviert worden, wobei auf diese Weise gewährleistet ist, dass genügend Energie zur Verfügung steht, um den Fahrzeugmotor zu starten. Da die Ladehöhe der zwei Batteriereihen unterschiedlich ist, ist auch der Spannungspegel unterschiedlich. Folglich weist die Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements 66 die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 an, die zwei Batteriereihen elektrisch getrennt zu halten, und so kann sie die Spannungsebene jeder Batteriereihe einzeln überwachen.
Bei Inbetriebnahme des Fahrzeugmotors wird die zweite Batteriereihe 42 elektrisch hoch belastet, wodurch die Span nung der zweiten Batteriereihe 42 sinkt. Wie weit die Spannung sinkt, hängt vom Zustand, dem Ladezustand und der Temperatur der zweiten Batteriereihe 42, ebenso wie vom Fahrzeugmotor selber, ab. Somit besteht die Möglichkeit, dass unter bestimmten ungünstigen Bedingungen der Spannungsabfall so schwerwiegend sein kann, dass der Fahrzeugmotor nicht gestartet werden kann, wenn keine zusätzliche elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird.
Die Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements 66 kann durch Überwachung der Spannung der ersten Batteriereihe 40 getrennt von der Überwachung der Spannung der zweiten Batteriereihe 42 und durch Überwachung der Laderate der Spannung in der zweiten Batteriereihe 42 zu dem Zeitpunkt, in dem die elektrische Belastung während der Anlaufphase des Fahrzeugmotors einsetzt, feststellen, ob in der ersten Batteriereihe 40 zusätzliche elektrische Energie zur Verfügung steht, um eine Startförderung bereitzustellen. Wenn der Steuerungsalgorithmus in der Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements 66 feststellt, dass eine solche Energie verfügbar ist, wird die Logikschaltung 66 die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 anweisen, die erste Batteriereihe 40 mit der zweiten Batteriereihe 42 während der Anlaufphase des Fahrzeugmotors elektrisch zu kombinieren. In diesem Fall wird der Motorstarter 64 mit der Kombination der ersten und zweiten Batteriereihen 40 und 42 durch die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 über den fakultativen Anschluss 65 verbunden; wobei auf diese Weise es dem Fahrzeugmotor ermöglicht wird, gestartet zu werden. Nachdem der Fahrzeugmotor gestartet ist, schaltet die Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements auf ihren Lademodusalgorithmus um, wie es als Nächstes beschrieben wird.
6(b) ist ein Ablaufdiagramm, das den Prozess für die Ladung der Batterien darstellt, nachdem der Fahrzeugmotor eingeschaltet worden ist. Nachdem der Fahrzeugmotor in Schritt 450 angelaufen ist, kann eine oder können mehrere Energiequellen eingesetzt werden, um die ersten und zweiten Batteriereihen 40 und 42 wieder aufzuladen. Wenn die Ladevorrichtung 62 (wie zum Beispiel ein Generator) in Schritt 452 aktiviert ist, bewertet die Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements 66 die historischen Daten von der letzten Entladungsperiode, um in Schritt 454 die Höhe der Belastung abzuschätzen, mit der sich der Wiederaufladevorgang auf die Ladevorrichtung 62 auswirkt. Zuvor von der Anwenderschnittstelle 51 eingeflossene Anwendervorgaben werden verwendet, um zu bestimmen, ob diese geschätzte Belastung "hoch" oder "niedrig" ist. Eine tiefentladene Batteriereihe und/oder umfangreiche Batteriereihen, die sehr viel Speicherkapazität beinhalten, verursachen eher eine "hohe" Belastung als kleinere oder leichter entladene Batterien. Wenn daher festgestellt wird, dass die geschätzte Belastung "hoch" ist, weist die Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements in Schritt 456 die Verbindungs-/Trennvorrichtung an, die elektrische Energie nur zur zweiten Batteriereihe 42 weiterzuleiten (das heißt, zu der Batteriereihe, die mit dem Motorstarter 64 verbunden ist). Sobald die zweite Batteriereihe einen Ladezustand erreicht hat, der ausreichend ist, um die Last auf der Ladevorrichtung 62 wesentlich zu verringern, weist die Steuerlogikschaltung die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 im Schritt 458 an, die ersten und zweiten Batteriereihen 40 und 42 miteinander elektrisch zu kombinieren, so dass alle Batterien wiederaufgeladen werden. Wenn die Steuerlogikschaltung des Batteriemanagements zu Beginn der Wiederaufladeperiode feststellt, dass die Belastung "niedrig" sein wird, werden alle Batterien sowohl von der ersten als auch von der zweiten Batteriereihe 40 und 41 über die Verbindungs-/Trennvorrichtung 61 kombiniert und in Schritt 460 zusammen aufgeladen. Entweder in Schritt 458 oder in Schritt 460 wird das Aufladen beider Batteriereihen fortgesetzt, bis beide in Schritt 462 voll geladen sind oder der Fahrzeugmotor abgestellt wird.
Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Steuerung des Batteriemanagements auch die Zeit und die Energiepegel der Batterien während der Entlade- und Wiederaufladeperioden überwachen und speichern, um einer vorzeitigen Sulfatierung und Zerstörung der Batterien vorzubeugen. Diese historischen Daten können bestätigen, dass, in einer typischen Entlade- und Wiederaufladeperiode, genügend Zeit und Energie zur Verfügung steht, um die Batterien wieder voll aufzuladen. Wenn nicht genügend Zeit und Energie zum völligen Wiederaufladen vorhanden ist, kann die Steuerlogikschaltung 66 darauf reagieren, indem sie das Mindestmaß der Abschaltspannungen anhebt und dadurch die gesamte Energiemenge reduziert, die von den Batteriereihen abgezogen werden kann. Anders gesagt, kann die Steuerung des Batteriemanagements 60 als selbstlernend konfiguriert werden, was es der Steuerung möglich macht, die Lebensdauer der Batterie bis zu ihrem Ersatz zu maximieren, indem sie die ersten und/oder zweiten Energiequellen überwacht, so dass sie nicht übermäßig entladen (das heißt, entleert) werden, und dass sie nicht bis auf eine Stufe entladen werden, die es der Energiequelle nicht mehr erlaubt, während der typischen Laufzeit des Fahrzeugmotors völlig wiederaufgeladen zu werden. Zum Beispiel zieht man in Betracht, dass eine Energiequelle eine Batterie sein könnte, wobei die Batterie bis zu einer Stufe X sicher entladen werden kann. Während der Entscheidung darüber, ob die Energiequelle mit dem HVAC System verbunden werden sollte, kann somit die Stufe X die vorgegebene Messgröße darstel len. Wenn jedoch die Betriebsdauer des Fahrzeugmotors zu kurz war, um es der Batterie während des Fahrzeugmotorlaufs zu ermöglichen, wieder völlig aufzuladen, nachdem die Batterie teilweise entladen worden war, würde die Batterie vorzeitig zerstört werden, da ein Ausfall beim völligen Wiederaufladen genauso schädlich ist, wie ein zu tiefes Entladen (oder die Ladung zu sehr zu verbrauchen). Um die vorzeitige Zerstörung einer Batterie, die darauf zurückzuführen ist, dass die Batterie nicht voll wiederaufgeladen ist, zu vermeiden, kann die Steuerung des Batteriemanagements 60 die Ladung der Batterie in der Energiequelle überwachen, um festzustellen, ob die Batterie völlig wiederaufgeladen wurde. Wenn die Batterie nicht völlig wiederaufgeladen wurde, kann die Steuerung 50 konfiguriert werden, während des nächsten Vorgangs zu "lernen", wo die Energiequelle angeschlossen ist und der Fahrzeugmotor abgeschaltet wird, um die Batterie weniger tief zu entladen, das heißt, um die Batterie bis zu einer Stufe "Y" zu entladen, die höher ist, als die Stufe "X". Während der Entscheidung darüber, ob die Energiequelle mit dem HVAC System verbunden werden sollte, kann dann die Stufe "Y" die vorgegebene Messgröße darstellen.
Als Nächstes wird die Steuerung des Energiemanagements 50 beschrieben. Die Steuerung des Energiemanagements 50 steuert die Komponenten des HVAC Systems 10 und arbeitet mit der Steuerung des Batteriemanagements 60 zusammen. Die Zielsetzung der Steuerung des Energiemanagements 50 besteht darin: (1) mit dem Anwender über die Anwenderschnittstelle zu kommunizieren; (2) Sicherungsfunktionen zu überwachen und passende Reaktionen zu veranlassen; (3) die operative Leistungsfähigkeit des HVAC Systems dadurch zu maximieren, dass die Drehzahl der Kondensator- und Verdunstergebläse und die Drehzahl des Kompressormotors entsprechend den Umgebungsbedingungen und den Anwenderpräferenzen optimiert werden; (4) die Drehzahl der Kondensatorgebläse zu regeln, um die Kondensatortemperatur zu steuern, wodurch der beste Kompromiss zwischen einem erhöhten Energieverbrauch des Gebläsemotors und einer erhöhten Leistung des Kompressormotors erreicht wird; (5) die Drehzahl des Verdunstergebläses zu regeln, entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen dem Temperatur-Sollwert des Anwenders und der tatsächlichen Umgebungstemperatur; und (6) die Drehzahl des Kompressormotors zu regeln, um die gewünschte Verdunstertemperatur beizubehalten.
Die Steuerung des Energiemanagements 50 übt ihre Funktion dadurch aus, dass sie, wie in 5(b) dargestellt, mit der Steuerung des Batteriemanagements 60, der Anwenderschnittstelle 51 (die einen Bildschirm 310 und eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 312 umfassen kann), einer Mehrheit von Fühlern und den operativen Komponenten des HVAC Systems operativ verbunden ist. Die Fühlermehrheit erfasst eine Reihe von Einflussgrößen, einschließlich: der inneren Raumtemperatur des Fahrzeugs, die von einem Temperaturfühler 304 festgestellt wird, der Luftfeuchtigkeit der Fahrzeugbereiche durch Einsatz eines Feuchtigkeitsfühlers 307 und des Geräuschs und/oder der Vibration von einem oder mehreren Geräusch- oder Vibrationsfühlern 308.
Was die operativen Komponenten des HVAC Systems betrifft, so kann die Steuerung des Energiemanagements 50 den Motor 12 bedienen, der den Kompressor 14 antreibt; die Umwälzlüfter bedienen, die die temperaturgeregelte Luft in einen oder mehrere vorgesehene Bereiche (wie zum Beispiel den Fahrzeugbereich 23 und/oder den Schlafbereich 27) bläst; die Heizgeräte für das Heizungssystem (wie zum Beispiel die Lufterhitzer 272 und 274 von 1 oder das Heizgerät 180 von 2) bedienen; und die Steuertüren (wenn anwendbar) zur Temperaturregelung bedienen. Außerdem kann die Steuerung des Energiemanagements 50 auch beliebige Ventile (wie zum Beispiel die Ventile 28 und 29 von 1, oder die Ventile 184 und 184 von 2) schalten, um den Durchlauf der Kühlmittel zu lenken. In einer Ausführungsform kann der Motor 12 des Kompressors 14 von der Steuerung des Energiemanagements 50 geregelt werden, wobei ein Proportional-Integral-Differenzial-Regler im geschlossenen Regelkreis eingesetzt wird. Auf ähnliche Weise kann die Steuerung des Energiemanagements 50 auch die Gebläsedrehzahl der Umwälzlüfter 210 und 212 über einen breitenmodulierten (PWM) PID Regelkreis, der von der Steuerung des Kompressors unabhängig ist, steuern.
In einer Ausführungsform kann die Steuerung des Energiemanagements 50 die Drehzahl des Motors 12 modulieren und auf diese Weise die Kapazität des vom Motor 12 angetriebenen Kompressors 14 anpassen. Die Einstellung des Kompressors kann sich zwischen einer höheren Kompressorkapazität und einer niedrigeren Kompressorkapazität bewegen. Die Kompressorkapazität kann variieren, abhängig von der Kompressorkapazität, die benötigt wird, um den Verdunster 22 oder den Verdunster 26 auf einer Verdunstertemperatur von T_E zu halten, wie sie von der Logikschaltung des Energiemanagements 66 angeordnet wurde.
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Steuerung des Energiemanagements 50 ("PMC") so funktionieren, wie es unter Bezugnahme auf 7 im Folgenden beschrieben wird. Die Steuerung des Energiemanagements 50 empfängt von der Anwenderschnittstelle 51 eine Meldung, mit dem Betrieb bei Schritt 702 zu beginnen. Von der Steuerung des Energieversorgungsmanagements 50 werden der Steuerung des Batteriemanagements 60 ("BMC") in Schritt 704 Anweisungen erteilt, das HVAC System 10 mit Energie zu versorgen. Die Anwenderschnittstelle 51 wird nach den Einstellungen für die Anwenderpräferenzen gefragt, wie zum Beispiel nach dem Betriebsmodus, dem Einsatzort der Temperaturregelung und dem gewünschten Temperatursollwert T_SP. Außerdem wird die Umgebungstemperatur T_a in Schritt 706 vom Temperaturfühler 304 abgefragt.
Wenn die Anwenderpräferenz "Kühlungsmodus" lautet, läuft der Prozess in Schritt 708 weiter, wo eine Anweisung erteilt wird, alle Gebläse der Umwälzlüfter 210, 212 und den Motor 12 des Kompressors 14 mit minimaler Drehzahl zu starten. Sodann wird in Schritt 710 angeordnet, die Geschwindigkeit des Kompressors so einzustellen, dass der Verdunster 22 auf eine vorgegebene Verdunstertemperatur T_E gebracht und auf dieser gehalten wird, wenn der Fahrzeugbereich gekühlt wird, oder dass der Verdunster 26 auf eine vorgegebene Verdunstertemperatur T_E gebracht und auf dieser gehalten wird, wenn der Schlafbereich gekühlt wird. In Schritt 712 wird angeordnet, dass die Gebläse des Kondensators 16 den Kondensator 16 auf eine vorgegebene Kondensatortemperatur T_C bringen und ihn auf dieser halten.
Wenn die Anwenderpräferenz "Heizungsmodus" lautet, wird in Schritt 714 von der Steuerung des Energiemanagements 50 eine Anweisung erteilt, die Gebläse der Umwälzlüfter des Verdunsters 22 oder 26 anlaufen zu lassen. Für das elektrische Heizelement 270 oder 274 wird in Schritt 716 ein Energiepegel (über die PWM Steuerung) angeordnet, der der Gebläsedrehzahl der Umwälzlüfter des Verdunsters 22 oder 26 entspricht.
Läuft das HVAV System 10 nun entweder im Heizungs- oder im Kühlungsmodus, wird die Steuerung des Batteriemanagements 60 in Schritt 718 nach einer Schätzung der Laufzeit auf Grund des derzeitigen Energieabzugs und der für den Einsatz verfügbaren gespeicherten Energie gefragt. Während des Schritts 720 wird die geschätzte Laufzeit mit der gewünschten Laufzeit, die vom Anwender unter Verwendung der Anwenderschnittstelle 51 in die Anwendereinstellungen einprogrammiert wurde, verglichen. Die Steuerung des Energiemanagements 50 bezieht die Differenz zwischen den geschätzten und den gewünschten Laufzeiten in die Planung der Leistung des HVAC Systems 10 mit ein, um sicherzustellen, dass während der Dauer der Heizungs- oder der Kühlungsperiode genügend Energie zur Verfügung steht (auch der "Laufzeitplan" genannt). Auf Grund des Laufzeitplans kann die Steuerung des Energiemanagements 50 die durchschnittliche Kapazität des HVAC Systems während des Arbeitsablaufs periodisch erhöhen oder verringern. Insbesondere wenn der Umfang der Heizung (Schritte 726 und 736) oder der Umfang der Kühlung (Schritte 726, 728 und 730) zuviel Energie erfordern würde, die aus der (den) Energiequelle(n) abzuziehen wäre, würde die höchstmögliche Kapazität des HVAC Systems 10 eingesetzt werden, die es der Steuerung des Batteriemanagements noch ermöglichen würde, die gesamte Betriebszeit hindurch Energie zu liefern. Die höchstmögliche Kapazität kann durch eine Kombination von Einstellungen erreicht werden, die den besten Nutzeffekt unter den vorherrschenden Bedingungen bieten würden.
Eine Reihe von Messungen werden in Schritt 722 vorgenommen, um sicherzustellen, dass das HVAC System innerhalb seiner begrenzten Energieversorgung effizient läuft. Diese Messungen umfassen die tatsächliche Umgebungstemperatur des Innenraums des Fahrzeugs T_a, die Verdunstertemperatur T_E und die Kondensatortemperatur T_C. In Schritt 722 messen die Temperaturfühler auf dem Verdunster die Verdunstertemperatur T_E, die Temperaturfühler auf dem Kondensator die Kondensatortemperatur T_C, und die Fühler in den Fahrzeug- und/oder Schlafbereichen messen die Umgebungstemperatur T_a, die Anwendereingaben, die gewünschte Umgebungstemperatur oder den Temperatursollwert T_SP über die Anwenderschnittstelle 51.
Für einen effizienten Betrieb der HVAC Komponenten entweder im Kühlungs- oder im Heizungsmodus wird in Schritt 724 eine Kalkulation durchgeführt, wobei eine Differenz Δ zwischen der Umgebungstemperatur T_a und dem Temperatursollwert T_SP ermittelt wird. Sodann wird für die Umwälzlüfter am Verdunster 22 oder 26 in Schritt 726 eine Drehzahl angeordnet, die der Differenz Δ entspricht. Die Festlegung einer geeigneten Gebläsedrehzahl für die Lüfter am Verdunster auf Grund einer bestimmten Δ kann nach irgendeinem der in Fachkreisen bekannten Verfahren erfolgen, wie zum Beispiel Tabellenformulierungen oder Rechenmodellen.
Die in die Fahrzeug- und/oder Schlafbereiche geblasene Luft beeinflusst die Umgebungstemperatur des Bereichs; sodann beginnt bei andauerndem Betrieb des HVAC Systems die Differenz (Δ) zwischen der Umgebungstemperatur T_a und dem Temperatursollwert T_SP kleiner zu werden. Während sich die Umgebungstemperatur T_a dem Temperatursollwert T_SP nähert, verringert die Steuerung des Energiemanagements 50, wie Schritt 726 zu entnehmen ist, die Gebläsedrehzahl der Umwälzlüfter am Verdunster 22 oder 26 auf der Grundlage von Δ. Wenn sich das System im Kühlungsmodus befindet, führt der verringerte Luftstrom über dem Verdunster 22 oder 26 dazu, dass die Verdunstertemperatur T_E fällt. Als Antwort hierauf stellt die Steuerung des Energiemanagements 50 in Schritt 728 die Drehzahl des Motors 12, der den Kompressor 14 antreibt, ein, um die gewünschte Verdunstertemperatur T_E beizubehalten. In ähnlicher Weise verändert die wechselnde Kapazität des Verdunsters 22 oder 26 auch die Kondensatortemperatur T_C. Ferner stellt die Steuerung des Energiemanagements 50 in Schritt 730 die Gebläsedrehzahl des Kondensators 16 ein, um die gewünschte Kondensatortemperatur T_C beizubehalten. Die Einstellungen für die Umwälzlüfter, den Kompressor und den Kondensator (die jeweils in den Schritten 726, 728 und 730 eingestellt werden) sind jedoch auf der Grundlage des Laufzeitplans von der höchstmöglichen Kapazität des HVAC Systems abhängig. Wenn somit durch diese Komponenten zuviel Energie abgezogen werden würde, während sie im effizientesten Betrieb laufen, würden die Einstellungen dieser Komponenten berichtigt werden, um es dem System zu ermöglichen, während der gewünschten Laufzeit in Betrieb zu sein, indem es so genau wie möglich nach dem durch Δ bestimmten effizientesten Verfahren arbeitet.
Der Prozess läuft weiter zu Schritt 732, wo die Steuerung des Energiemanagements Daten von der Steuerung des Batteriemanagements 60 darüber erhält, ob ausreichend Energie zur Verfügung gestellt wird. Wenn ausreichend Energie vorhanden ist (der "Ja" Pfad), läuft der Prozess zu Schritt 718 zurück und der Prozess wird wiederholt. Wenn nicht genügend Energie vorhanden ist (der "Nein" Pfad), wird der Betrieb des HVAC Systems in Schritt 734 beendet.
Wenn das HVAC System eher im Heizungsmodus als im Kühlungsmodus arbeitet, modifiziert die Steuerung des Energiemanagements 50 den PWM Zyklus der Widerstandsheizelemente 270 oder 274, um sie der sich ändernden Gebläsedrehzahl der Umwälzlüfter am Verdunster 22 oder 26 anzupassen. Auf diese Weise bleibt die Temperatur der freigesetzten Luft konstant.
Dadurch wird anstelle der Schritte 728 und 730 der Schritt 736 in 7 ausgeführt. Ähnlich wie im Kühlungsbetrieb sind die Einstellungen für die Umwälzlüfter und das Heizgerät (die jeweils in den Schritten 726 und 736 eingestellt werden) auf der Grundlage des Laufzeitplans von der höchstmöglichen Kapazität des HVAC Systems abhängig. Wenn somit durch diese Komponenten zuviel Energie abgezogen wird, während sie im effizientesten Betrieb laufen, können die Einstellungen dieser Komponenten berichtigt werden, um es dem System zu ermöglichen, während der gewünschten Laufzeit in Betrieb zu sein, indem es so genau wie möglich nach dem durch Δ bestimmten effizientesten Verfahren arbeitet. Beispielsweise können die Einstellungen der Umwälzlüfter auf eine Stufe herabgesetzt werden, die den Betrieb während der gesamten gewünschten Laufzeit zulässt, während noch so nahe den Einstellungen für das durch Δ bestimmte effizienteste Verfahren wie möglich gearbeitet wird.
Andere Systemparameter können verwendet werden, um den motorisierten Kompressor 14 und die Umwälzlüfter 210 und 212 zu regeln. Zum Beispiel kann die Steuerung des Energiemanagements 50 auch die Luftfeuchtigkeit der Fahrzeugbereiche durch Einsatz eines Feuchtigkeitsfühlers 307 überwachen. Wenn die Luftfeuchtigkeit der Bereiche über einem vorher festgelegten Grenzwert (der durch den Benutzer des Fahrzeugs eingestellt werden kann) liegt, kann die Steuerung des Energiemanagements 50 den Kompressor 14 so regeln, dass er beschleunigt (bis zur, aber nicht über die obere Leistungsgrenze des Kompressors hinaus) und die Umwälzlüfter 210 und 210 so regeln, dass sie langsamer werden.
Außerdem kann einer oder können mehrere Vibrationsfühler 308 eingesetzt werden, um den Geräusch- oder Vibrations pegel des HVAC Systems 10 zu ermitteln. Sobald die Meldung an die Steuerung des Energiemanagements 50 erfolgt ist, ermittelt die Steuerung des Energiemanagements 50, ob eine Notwendigkeit besteht, den Kompressor und/oder die Umwälzlüfter zu beschleunigen oder abzubremsen, und den Kompressor und/oder den Lüfter dementsprechend zu steuern.
Die Anwendbarkeit eines oder mehrerer Systemparameter, wie zum Beispiel der Verdunstertemperatur, der Luftfeuchtigkeit, der äußeren Umgebungstemperatur, der Innenraumtemperatur des Fahrzeugs etc., um die Kompressor- und die Lüfterkapazitäten zu steuern, kann erreicht werden, indem man einen oder mehrere Systemparameter überwacht und in der Steuerung des Energiemanagements 50 ein Programm verwendet, das beispielsweise durch Verwendung eines in Fachkreisen bekannten multivariaten Modells zusammengestellt wurde.
Für die Steuerung des Energiemanagements 5 können auch andere Systemparameter bereitgestellt werden, die es der Steuerung des Energiemanagements 50 ermöglichen können, Fehler im HVAC System aufzuspüren. Zum Beispiel werden Leistungs- und Sicherheitsfunktionen überwacht und es kann eine passende Reaktion der Steuerung des Energiemanagements 50 ausgelöst werden, wie beispielsweise das Abschalten des Systems im Falle der Überhitzung des Motors 12 des Kompressors 14.
9 zeigt eine andere Ausführungsform des HVAC Systems gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsform in 9 ist der Ausführungsform in 1 ähnlich; 9 zeigt jedoch, wie das HVAC System in ein zweiteiliges System 600 aufgeteilt werden kann, wobei sich ein äußeres Subsystem 602 und ein inneres Subsystem 604 ergeben. Das äußere Subsystem 602 kann Komponenten umfassen, die auf der Außenseite des Fahrerhauses des Fahrzeugs angeordnet sind. Das innere Subsystem 604 kann Komponenten umfassen, die im Inneren des Fahrerhauses des Fahrzeugs angeordnet sind. Zum Beispiel zeigt 9 ein äußeres Subsystem 602, das einen Motor 12, einen Kompressor 14, einen Kondensator 16 und eine erste Energiequelle umfasst, die außerhalb des Fahrerhauses eines großen Fahrzeugs, wie zum Beispiel eines Lastkraftwagens, angeordnet sind. Außerdem können die zweite Energiequelle und das Stromerzeugungssystem 44 ebenfalls auf der Außenseite des Fahrerhauses des Fahrzeugs angeordnet sein, wie es bei großen Fahrzeugen üblich ist.
Das innere Subsystem 604 kann den Umwälzlüfter 610, den Verdunster 622 und die Steuerung des Energiemanagements 50, die Steuerung des Batteriemanagements 60, den Bildschirm 310 und die Eingabevorrichtung 312 umfassen, die alle im Inneren des Fahrerhauses des Fahrzeugs angeordnet sind. Die temperaturgeregelte Luft kann wahlweise in Luftkanäle 672 gelenkt werden, die sich in zwei oder mehrere Luftkanäle aufteilen können, die zu verschiedenen Abteilungen oder Bereichen im Inneren des Fahrerhauses des Fahrzeugs führen können. In einer Ausführungsform können die Luftkanäle 672 zum fahrzeugeigenen Kanalnetz gehören, das bereits im Fahrerhaus des Fahrzeugs installiert ist. Außerdem kann das innere Subsystem den bereits vorhandenen Verdunster 622 und den bereits vorhandenen Umwälzlüfter 610 des Fahrzeugs umfassen. Unter diesen Umständen kann das äußere Subsystem 602 so konfiguriert werden, dass es in der Lage ist, eine Mehrheit von verschiedenen Verdunstern anzuschließen, wie zum Beispiel den fahrzeugeigenen Verdunster. Außerdem kann das äußere Subsystem 602 so konfiguriert werden, dass es eine Mehrheit von Verdunstern zu einem Zeitpunkt anschließt, wie zum Beispiel ei nen Verdunster für die Kühlung/Heizung des Fahrbereichs und einen Verdunster für die Kühlung/Heizung des Schlafbereichs.
In 9 ist die Kühlmittel dosierende Vorrichtung als Teil des äußeren Subsystems 602 außerhalb des Fahrerhauses des Fahrzeugs angeordnet, was die leichtere Instandhaltung der Kühlmittel dosierenden Vorrichtung ermöglicht, falls sie ausfallen sollte. Alternativ kann die Kühlmittel dosierende Vorrichtung 20 im Inneren des Fahrerhauses als Teil des inneren Subsystems 604 angeordnet sein.
Das zweiteilige System 600 hat mehrere Vorteile. Vor allen Dingen wird weniger Innenraum vom System beansprucht, da ein wesentlicher Teil der Komponenten außerhalb des Fahrerhauses des Fahrzeugs angeordnet ist. Außerdem können die Luftkanäle verwendet werden, die im Fahrzeug vorhanden sind, so dass kein zusätzliches Kanalnetz benötigt wird. Somit kann das System einen einfacheren Installationsprozess, eine bessere Leistungsfähigkeit und einen ruhigeren Betrieb aufweisen.
Die offen gelegte Steuerung des Batteriemanagements und das offengelegte HVAC System können einem Fahrzeugbenutzer eine Temperaturregelung für verlängerte Zeitraume, in denen der Fahrzeugmotor nicht läuft, zur Verfügung stellen. Außerdem stellt das System sicher, dass ausreichend Batterieenergie vorhanden ist, um das Fahrzeug zu starten, selbst wenn das System während eines Zeitraums in Betrieb gewesen ist, in dem der Fahrzeugmotor abgestellt war. Die Systeme des Batteriemanagements und des HVAC können in großen Lastkraftwagen, wie zum Beispiel Sattelschleppern, ebenso wie in jedem anderen Fahrzeugtyp eingesetzt werden.
Während des Betriebs verarbeitet die Steuerung des Energiemanagements 30 die Anwendereingaben, um den operativen Modus des HVAC Systems 10 festzulegen. Wenn entweder der Heizungs- oder der Kühlungsmodus ausgewählt ist und wenn der Fahrzeugmotor eingeschaltet ist, wird das Stromerzeugungssystem des Fahrzeugs eingesetzt, um die notwendigen Komponenten mit Energie zu versorgen. Zum Beispiel sind das Heizgerät und die Umwälzlüfter während des Betriebs im Heizungsmodus eingeschaltet, während Kompressor, Umwälzlüfter und Pumpen während des Betriebs im Kühlungsmodus eingeschaltet sind.
Wenn der Heizungsmodus bei abgeschaltetem Fahrzeugmotor in Betrieb ist, weist die Steuerung des Energiemanagements 50 ein Heizgerät (wie zum Beispiel das Kühlmittelheizgerät 180 in 2 oder die Lufterhitzer 270 und 274 in 1) und die Umwälzlüfter 210 und 212 an, sich einzuschalten. Die Steuerung des Energiemanagements 50 regelt auch die Drehzahl der Umwälzlüfter 210 und 212 über einen breitenmodulierten (PWM) PID Regelkreis, um die Temperatur des Fahrer- und/oder Schlafbereichs am Temperatursollwert für den Innenbereich zu halten. Mit den verschiedenen offen gelegten Ausführungsformen kann der Innenbereich des Fahrerhauses völlig über Batterieenergie beheizt werden, ohne auf Dieselkraftstoff angewiesen zu sein. Folglich kann auch geheizt werden, ohne davon abhängig zu sein, dass der Fahrzeugmotor eingeschaltet ist.
Wenn der Kühlungsmodus des Betriebs bei abgestelltem Fahrzeugmotor eingesetzt wird, sind die Umwälzlüfter 210 und 212, der Kompressor 14 und/oder die Pumpe 176 eingeschaltet. Die Steuerung des Energiemanagements 50 reguliert die Leistung des Kompressors 14 und der Umwälzlüfter 210 und 212, um die Temperatur des Fahrer- und/oder Schlafbereichs über PID Steuerung am Temperatursollwert für den Innenbereich zu halten.
Wenn bei abgeschaltetem Fahrzeugmotor die Spannung der Kombination der ersten und zweiten Energiequellen entweder im Heizungsmodus oder im Kühlungsmodus unter eine vorgegebene Größe fällt, werden/wird die erste und/oder die zweite Energiequelle abgeschaltet, und das HVAC System wird nur von der noch vorhandenen Energiequelle mit Energie versorgt. Sobald die Spannung der noch vorhandenen Energiequelle unter einen anderen vorgegebenen Pegel fällt, kann die Steuerung des Batteriemanagements 60 so konfiguriert sein, dass sie die noch vorhandene Energiequelle abschaltet, wobei sie so das HVAC System 10 abschaltet.
Nach der Inbetriebnahme des Fahrzeugs kann der Generator oder eine andere Ladevorrichtung eingesetzt werden, um die ersten und zweiten Energiequellen (wenn es Batterien sind) aufzuladen, damit sie voll geladen sind. In der Situation, in der die zweite Energiequelle (zum Beispiel die Starterbatterie oder die Starterbatteriereihe) zu schwach ist, um das Fahrzeug zu starten, beispielsweise im dem Fall, in dem die Starterbatterie auf Grund sehr niedriger Außentemperaturen geschwächt ist, kann die Steuerung des Batteriemanagements 60 in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch dazu verwendet werden, die erste Energiequelle (beispielsweise eine Zusatzbatterie oder eine Reihe von Zusatzbatterien) während des Startens des Fahrzeugs zuzuschalten.
Darüber hinaus kann das HVAC System ein zweiteiliges System sein, mit einem wesentlichen Teil der Komponenten außerhalb des Fahrerhauses des Fahrzeugs, so dass weniger Innenraum vom HVAC System beansprucht wird. Außerdem kann der im Fahrzeug vorhandene Verdunster und/oder das im Fahrzeug vorhandene Kanalnetz für einen einfacheren Installationsprozess, eine bessere Leistungsfähigkeit und einen ruhigeren Betrieb mit dem HVAC System verwendet werden.
Angesichts der Offenlegung der vorliegenden Erfindung würde ein Fachmann verstehen, dass andere Ausführungsformen und Abwandlungen im Rahmen des Geltungsbereichs und der Idee der Erfindung liegen können. Folglich sollen alle Modifikationen der vorliegenden Offenlegung im Rahmen des Geltungsbereichs und der Idee der vorliegenden Erfindung, die ein Fachmann erlangen kann, als weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sein. Der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung soll so festgelegt sein, wie er in den folgenden Ansprüchen dargelegt wird.

Claims

Ein in einem Fahrzeug zu installierendes HVAC System, das umfasst: eine Steuerung des Batteriemanagements, die umfasst: – zumindest einen Anschluss zur elektrischen Kopplung einer ersten Energiequelle mit einer ersten Spannung; – zumindest einen Anschluss zur elektrischen Kopplung einer zweiten Energiequelle mit einer zweiten Spannung; – wobei die Steuerung des Batteriemanagements so aufgebaut ist, dass sie ein Temperaturregelungssystem betreibt und dem Temperaturregelungssystem Energie aus einer Kombination der ersten und zweiten Energiequellen mit einer kombinierten elektrischen Spannung zuführt, wobei die zweite Energiequelle abgeschaltet wird, wenn die kombinierte elektrische Spannung unter eine vorgegebene Höhe sinkt.
Das HVAC System gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Energiequelle zumindest eine Batterie ist, die mit einem Motorstarter des Fahrzeugs verbunden ist.
Das HVAC System gemäß Anspruch 2, wobei die erste Energiequelle zumindest eine Zusatzbatterie ist.
Das HVAC System gemäß Anspruch 3, wobei die Steuerung des Batteriemanagements so aufgebaut ist, dass sie historische Daten für eine von der zumindest einen Zusatzbatterie und der zumindest einen Batterie, die mit dem Motorstarter verbunden ist, sammelt.
Das HVAC System gemäß Anspruch 4, wobei die historischen Daten aus der maximalen oder aus der durchschnittlichen Batterieentladung bestehen.
Das HVAC System gemäß Anspruch 3, das außerdem einen Bildschirm aufweist, um die aktuelle ungefähre Batterieladung der zumindest einen Zusatzbatterie oder der zumindest einen Batterie, die mit dem Motorstarter verbunden ist, anzuzeigen.
Das HVAC System gemäß Anspruch 3, das außerdem eine Verbindungs-/Trennvorrichtung aufweist, die so aufgebaut ist, dass sie die zumindest eine Zusatzbatterie mit dem Motorstarter verbindet, um zumindest die mit dem Motorstarter verbundene Batterie während der Inbetriebnahme des Fahrzeugs zu unterstützen, falls die zumindest eine mit dem Motorstarter verbundene Batterie so geschwächt ist, dass das Fahrzeug beim Starten Schwierigkeiten hat.
Das HVAC System gemäß Anspruch 1, das außerdem umfasst: eine erste Energiequelle; einen Kompressor; einen operativ mit dem Kompressor gekoppelten Motor; und einen Kondensator in Flüssigkeitsverbindung mit dem Kompressor.
Das HVAC System gemäß Anspruch 8, wobei die erste Energiequelle, der Kompressor, der Motor und der Kondensator als ein äußeres Subsystem konfiguriert sind, dass sich außerhalb eines Fahrerhauses des Fahrzeugs befindet.
Das HVAC System gemäß Anspruch 9, wobei das äußere Subsystem so konfiguriert ist, dass es eine Mehrheit von Verdunstern zu einem Zeitpunkt anschließt.
Das HVAC System gemäß Anspruch 10, wobei das äußere Subsystem so konfiguriert ist, dass es den fahrzeugeigenen Verdunster anschließt.
Das HVAC System gemäß Anspruch 8, wobei der Kompressor ein Kompressor mit einer stufenlos veränderlichen Drehzahl ist, die über eine Steuerung des Energiemanagements geregelt wird.
Das HVAC System gemäß Anspruch 8, das außerdem einen Verdunster in Flüssigkeitsverbindung mit dem Kondensator und einen Umwälzlüfter umfasst, der so aufgebaut ist, dass er Luft am Verdunster vorbeiströmen lässt.
Das HVAC System gemäß Anspruch 13, wobei der Umwälzlüfter ein Regler mit stufenlos veränderliche Drehzahl ist, der von einer Steuerung des Energiemanagements angesteuert wird.
Das HVAC System gemäß Anspruch 1, das außerdem einen elektrischen Widerstand-Erhitzer aufweist.
Das HVAC System gemäß Anspruch 1, das außerdem ein Umkehrkreislaufheizungssystem aufweist.
Das HVAC System gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerung des Batteriemanagements so aufgebaut ist, dass sie die ersten und zweiten Energiequellen unter Verwendung einer Ladevorrichtung wieder auflädt.
Das HVAC System gemäß Anspruch 17, wobei die Steuerung des Batteriemanagements so aufgebaut ist, dass sie die ersten und zweiten Energiequellen mit der Ladevorrichtung verbindet, wenn die Spannung der ersten Energiequelle über einem vorge gebenen Pegel liegt, und dass sie nur die zweite Energiequelle mit der Ladevorrichtung verbindet, wenn die Spannung der ersten Energiequelle unter einem vorgegebenen Pegel liegt.
Das HVAC System gemäß Anspruch 1, wobei die vorgegebene Größe eine Größe ist, die dynamisch auf der Grundlage der umgebenden Betriebsbedingungen festgelegt wird.
Ein in einem Fahrzeug zu installierendes HVAC System, das umfasst: – ein Umkehrkreislaufheizungssystem; und – ein Batteriemanagementsystem, das konfiguriert ist, den Betrieb des Umkehrkreislaufheizungssystems zu steuern, wenn der Fahrzeugmotor abgeschaltet ist.
Das System gemäß Anspruch 19, wobei das Umkehrkreislaufheizungssystem gänzlich mit Batterieenergie betrieben wird.
Ein in einem Fahrzeug zu installierendes HVAC System, das umfasst: – eine erste Energiequelle; – einen Kompressor; – ein mit dem Kompressor operativ gekoppelten Motor; – einen Kondensator; und – eine Steuerung des Energiemanagements, die konfiguriert ist, den Motor zu betreiben, wenn der Fahrzeugmotor abgeschaltet ist, – wobei die erste Energiequelle, der Kompressor, der Motor und der Kondensator als ein äußeres Subsystem konfiguriert sind, das sich außerhalb eines Fahrerhauses des Fahrzeugs befindet.
Das HVAC System gemäß Anspruch 22, wobei das äußere Subsystem so konfiguriert ist, dass es eine Mehrheit von Verdunstern zu einem Zeitpunkt anschließt.
Das System gemäß Anspruch 22, wobei das äußere Subsystem so konfiguriert ist, dass es den fahrzeugeigenen Verdunster anschließt.