DE102009023235A1

DE102009023235A1 - Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebssystems

Info

Publication number: DE102009023235A1
Application number: DE200910023235
Authority: DE
Inventors: Hendrik Schwind; Coen Duindam
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebssystems mit einer Hauptantriebsmaschine, insbesondere einem Verbrennungsmotor, und einer Hilfsantriebsmaschine, insbesondere einer elektrischen Antriebsmaschine, wobei ein Kompressor einer Kälteanlage, die zur Kühlung einer Batterie dient, vom Hybridantriebssystem angetrieben wird, wobei die Leistung zumindest einer der Antriebsmaschinen jeweils um den Leistungsbedarf des Kompressors der Kälteanlage automatisch geregelt erhöht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebssystem mit einer Hauptantriebsmaschine, insbesondere einem Verbrennungsmotor und eine Hilfsantriebsmaschine, insbesondere einer elektrischen Antriebsmaschine, wobei ein Kompressor einer Kälteanlage, die zur Kühlung einer Batterie dient, vom Hybridantriebssystem angetrieben wird.
Hybridantriebsysteme dienen insbesondere zunehmend als Fahrzeugantrieb. Für den Antriebsmodus mit elektrischer Antriebsmaschine alleine sind hierbei entsprechend leistungsfähige Batterien vorzusehen, um eine ausreichende Reichweite zu gewährleisten. Hierbei kommen Hochvoltbatterien zum Einsatz, die mittels eines besonderen Kühlkreislaufes mit flüssigem Kältemittel gekühlt werden müssen. Der entsprechende Kühlkreislauf hat einen Kompressor, der von dem Hybridantriebssystem angetrieben wird.
Bereits bei Fahrzeugen mit Klimaanlagen bekannter Art, die einen vom Antriebsmotor angetriebenen Kältemittelkompressor umfassen, wirkt sich der automatisch gesteuerte Leistungsbedarf des Kompressors merklich und in komfortmindernder Weise auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs in Form eines scheinbaren Leistungsverlustes bei unveränderter Gaspedalstellung aus. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche Komfortnachteile bei einem Hybridantriebssystem der eingangs genannten Art, bei denen der Kühlbedarf der Batterie gegebenenfalls höher sein kann als der von bekannten Klimaanlagen, zu vermeiden. Die Lösung hierfür besteht in einem Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebssystems mit einer Hauptantriebsmaschine, insbesondere einem Verbrennungsmotor, und einer Hilfsantriebsmaschine, ins besondere einer elektrischen Antriebsmaschine, wobei ein Kompressor einer Kälteanlage, die zur Kühlung einer Batterie dient, vom Hybridantriebssystem angetrieben wird, wobei die Leistung zumindest einer der Antriebsmaschinen jeweils um den Leistungsbedarf des Kompressors der Kälteanlage automatisch geregelt erhöht wird. Hiermit wird sichergestellt, daß die zur Verfügung stehende Antriebsleistung für den Fahrbetrieb alleine abhängig von der Stellung des Gaspedals zur Verfügung gestellt wird und ein zusätzlicher Leistungsbedarf für den Kompressor durch automatisch gesteuerte Leistungserhöhung der Hauptantriebsmaschine und/oder der zusätzlichen Antriebsmaschine ausgeglichen wird, so daß der unvorhersehbare wechselnde Einsatz des Kompressors für den Fahrer im Hinblick auf die Fahrleistung nicht fühlbar wird.
Bei der Verwendung von selbstregelnden Kompressoren mit variablen Hubvolumen ist es nicht ohne weiteres möglich, die Kompressorleistung direkt zu ermitteln während die Messung der Kältemitteltemperaturen vor und hinter dem Kompressor und der entsprechenden Drücke mit einfacher Sensorik möglich ist. In bevorzugter Ausgestaltung wird daher vorgesehen, daß der Leistungsbedarf des Kompressors der Kälteanlage anhand des Massenstroms des Kältemediums in der Kälteanlage und der Enthalpiedifferenz des Kühlmediums vor und hinter dem Kompressor unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Kompressors berechnet wird.
Aus dem bereits vorgenannten Grund ist auch die Messung des Massenstroms durch den Kompressor nicht mit einfachen Mitteln durchzuführen. Aus diesem Grund wird vorgesehen, daß der Massenstrom des Kühlmediums anhand der Verlustleistung der Batterie dividiert durch die Enthalpiedifferenz des Kühlmediums vor und hinter dem Verdampfer des Kühlkreislaufs ermittelt wird. Hierbei wird der Leistungsbedarf des Kompressors dem Kühlleistungsbedarf für die Batterie gleichgesetzt.
Die Verlustleistung der Batterie wird auf einfache Weise anhand der Spannungs- bzw. Stromwerte an der Batterie unter Berücksichtigung des bekannten Innenwiderstands der Batterie berechnet.
Zur Ermittlung der genannten Enthalpiewerte werden diese in Wertetabellen für die Gasphase bzw. für die Flüssigphase des Kühlmediums bei Vorgabe der gemessenen Temperatur und Druckwerte an den Meßpunkten vor und hinter dem Kompressor bzw. vor und hinter dem Verdampfer ermittelt. Als Verdampfer ist hierbei der Kühler für die Batterie zu verstehen.
Sofern ein erhöhter Leistungsbedarf des Kompressors der Kälteanlage dadurch entsteht, daß die Kälteanlage zusätzlich für die Kabinenkühlung des Kraftfahrzeuges in Anspruch genommen wird, ist der erfindungsgemäß genannte Leistungsbedarf des Kompressors um einen Zuschlagswert zu erhöhen. Zur Abschätzung dieses Zuschlagswertes sind andere Berechnungsmethoden heranziehen, die vorzugsweise ebenfalls auf gemessenen Druck- und Temperaturwerten vor und hinter den entsprechenden Verdampfer der Fahrzeugklimaanlage basieren. Die Grundlagen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anschließend anhand von Zeichnungen erläutert.
1 zeigt das Druck-Enthalpie-Diagramm eines Kältemittels mit eingezeichneten Kreisprozeß einer Kälteanlage;
2 zeigt einen Ausschnitt aus 1 zur Ermittlung der Enthalpiewerte für den Massendurchfluß;
3 zeigt einen Ausschnitt aus 1 zur Ermittlung der Enthalpiewerte für die Kompressorleistung;
4 zeigt ein Blockschaltbild zur Berechnung der Kompressorleistung;
5 zeigt die grafische Darstellung einer Wertetabelle für die Enthalpiewerte in der flüssigen Phase;
6 zeigt die grafische Darstellung einer Wertetabelle für die Enthalpiewerte in der Gasphase;
7 zeigt das Druck-Enthalpie-Diagramm für das Kältemittel für das Kältemittel R134a.
1 zeigt ein vereinfachtes Funktionsprinzip einer Klimaanlage im Druck-Enthalpie-Diagramm. Die fette, durchgehende Linie bildet die Phasengrenzen, links zum flüssigen, rechts zum gasförmigen Zustand. Die dünnen gestrichelten Linien verbinden Punkte gleicher Temperatur. Die fetten gestrichelte Pfeile stellen den Kreisprozeß (vereinfacht) dar.
Die Kühlwirkung einer Klimaanlage wird erzielt, indem ein geeignetes Kältemittel (hier R134a) als Gas durch einen Kompressor zu höheren Druck verdichtet wird (D → A), anschließend wird in einem Kondensator das verdichtete Gas vollständig zu Flüssigkeit kondensiert (A → B). Hier wird die Kondensationswärme zusammen mit der durch den Kompressor zugeführten Energie abgeführt. Vor dem Verdampfer wird das flüssige Kältemittel durch eine Düse zu einem niedrigeren Druck entspannt (B → C), so daß es im Verdampfer wieder vollständig in den gasförmigen Zustand übergeht, wobei die Verdunstungskühlung zu der gewünschten Abkühlung führt (C → D). Die Begriffe Kältemittel und Kühlmittel- oder medium sind gleichbedeutend.
Anhand der 2 wird die Ermittlung des Massendurchflusses anhand der Enthalpiedifferenz vor und hinter dem Verdampfer, also vor dem Kühler der Batterie erläutert.
Zur Bestimmung der Kompressorleistung muß der Massendurchsatz des Kältemittels bekannt sein. Ein Durchflußsensor wird in Klimaanlagen im Allgemeinen nicht verbaut, so daß der Massenfluß durch andere Sensorsignale abgeschätzt werden muß. Hierzu müssen:

– der hochdruckseitige Druck p_hi (Sensor im Punkt B bzw. A),
– der niederdruckseitige Druck p_lo (Sensor im Punkt C bzw. D),
– die Temperatur vor dem Kompressor (Sensor im Punkt D) und
– die durch Verlustleistung freiwerdende Wärmemenge in der Batterie

Wenn sich der Punkt B auf der Phasengrenze befindet, ist er allein durch den hochdruckseitigen Druck p_hi definiert und die zugehörige Enthalpie h1 kann aus einer Tabelle bestimmt werden. Sollte es im Kondensator zu einer Unterkühlung unter Siedetemperatur kommen, liegt der Punkt B nicht mehr auf der Phasengrenze sondern wandert horizontal geringfügig nach links in den Bereich der flüssigen Phase. Dann wird die Bestimmung der Enthalpie h1 insofern aufwändiger, daß eine 2-dimensionale Tabelle der Enthalpie über Druck und Temperatur für flüssigen Zustand des Kältemittels verwendet werden muß. Im Folgenden wird dieser Effekt vernachlässigt.
Der Punkt D (vor dem Kondensator) liegt meist nicht auf der Phasengrenze, da es im Verdampfer meist zu einer deutlichen Überhitzung kommt, die nicht mehr vernachlässigt werden sollte. Daher muß die zugehörige Enthalpie hier mit einer 2-dimesionalen Tabelle der Enthalpie über Druck und Temperatur für gasförmigen Zustand des Kältemittels bestimmt werden. Durch Strömungsverluste des Gases kommt es zu Druckverlusten, die den Punkt D im Diagramm nach unten wandern lassen. Es ist daher darauf zu achten, daß der niederdruckseitige Druck unmittelbar vor dem Kompressor gemessen wird.
Der Verdampfer stellt die Flüssigkeitskühlung der Batterie dar. Wenn die in der Batterie freiwerdende Wärmemenge P_verl vollständig durch das Kühlmittel abgeführt wird, ergibt sich der Massendurchfluß m_dot als: m_dot = P_verl/(h2 – h1).
Anhand der 3 wird die Ermittlung der Kompressorleistung erläutert.
Die Enthalpie h3 nach dem Kompressor (Punkt A) kann wieder durch eine 2-dimensionale Tabelle der Enthalpie über Druck und Temperatur für gasförmigen Zustand des Kältemittels bestimmt werden, wenn der hochdruckseitige Druck und die Temperatur hinter dem Kompressor bekannt sind.
Die Kompressorleistung P_Kompr_ideal kann jetzt bestimmt werden durch P_Kompr_ideal = m_dot·(h3 – h2).
Da auch der Kompressor verlustbehaftet ist, muß die so bestimmte Kompressorleistung noch mit einem Wirkungsgrad Eta beaufschlagt werden. Die reale Kompressorleistung P_Kompr_real ergibt sich zu P_Kompr_real = P_Kompr_ideal/Eta.
Die 4 zeigt ein schematisches Schaltbild einer möglichen Schaltung zur Berechnung der Kompressorleistung. Der Sensor 1 liefert die Verlustleistung der Batterie, welche auf bekannte Art durch Strom- bzw. Spannungsmessung bei bekanntem Innenwiderstand der Batterie ermittelt wird. Der Sensor 2 liefert den Druck p-hi im Hochdrucksystem. Der Sensor 3 liefert die Temperatur am Ausgang des Verdampfers. Der Sensor 4 liefert den Druck p-lo im Niederdrucksystem. Der Sensor 5 liefert die Temperatur hinter dem Kompressor, der Sensor 6 die Temperatur vor dem Kompressor. Der Wert 7 ist der Wirkungsgrad Eta des Kompressors.
Im Block 10 befindet sich eine Tabelle der Enthalpie über Druck an der Phasengrenze zum flüssigen Zustand, bspw. für das Kältemittel R134a. Hier wird die Enthalpie h1 im Punkt B aus dem Druck des Drucksensors 2 bestimmt. Eine eventuelle Unterkühlung im Kondensator wird also, wie bereits oben beschrieben, vernachlässigt.
Im Block 20 befindet sich eine 2-dimensionale Tabelle der Enthalpie über Druck und Temperatur für gasförmigen Zustand. Hier wird die Enthalpie h2 im Punkt C aus der Temperaturwert des Sensors 3 und dem Druckwert des Sensors 4 bestimmt.
Die Verlustleistung der Batterie wird durch die Differenz dieser beiden Enthalpiewerte (h2 – h1) dividiert und ergibt den Massenstrom m_dot des Kühlmittels.
Sollte dem gleichen Kompressor auch noch ein weiterer Kühlmittelmassenstrom (z. B. aus der Kabinenkühlung) zugeführt werden, so muß diese anderweitig bestimmt werden (z. B. über Druckdifferenz und Durchlaßverhalten der Düse) und hier hinzu addiert werden.
Die Blöcke 20' und 20'' sind inhaltlich mit dem vorgenannten Block identisch. Hier werden die Enthalpiewerte h3 und h2 für die Punkte A und D aus Druck und Temperaturwerten der Sensoren 2 und 5 bzw. 3 und 6 bestimmt. Die Differenz der Enthal piewerte (h3 – h2) multipliziert mit dem Massendurchfluß m_dot und dividiert durch den Wirkungsgrad Eta ergibt den Schätzwert für die reale Kompressorleistung.
Wenn die Temperatur am Ausgang des Verdampfers nur wenig von der Temperatur vor dem Kompressor abweicht, dann kann durch Gleichsetzen der daraus bestimmten Enthalpiewerte für h2 aus dem Block 20 und dem Block 20'' eine weitere Vereinfachung getroffen werden.
In der 5 ist der Inhalt des Blocks 10 gemäß 4 dargestellt. Einem gemessenen Druck p wird die zugehörige Enthalpie h entsprechend einer Wertetabelle für die flüssige Phase des Kältemittels zugeordnet.
In der 6 ist der Inhalt des Blocks 20 gemäß 4 dargestellt. Aus gemessenen Werten für den Druck und die Temperatur eines Kühlmittels in der Gasphase wird der zugehörige Enthalpiewert aus einer 2-dimesionalen Tabelle der Enthalpie über Druck und Temperatur für den gasförmigen Zustand des Kältemittels ermittelt.
Erfindungsgemäß wird die aufgenommene Leistung des Kompressors über die Verlustleistung der Batterie zurück gerechnet. Des weiteren wird der Massenstrom des Kühlmittels statt mit einem Durchflußsensor mit einfacheren Sensoren wie Temperatur- und Drucksensoren bestimmt.
Die gekühlte Batterie ist vorzugsweise die Batterie zur Versorgung des elektrischen Antriebs. Die Anwendung beschränkt sich nicht nur auf die Kühlung einer Batterie, es kann auch auf jedes andere Bauteil angewendet werden, dessen abzuführende Wärmeleistung bekannt ist.
In der 7 ist das Druck-Enthaplie-Diagramm für das Kältemittel R134a dargestellt. Der Druck ist auf der Ordinatenachse logarithmisch in Bar über der spezifischen Enthalpie in Kilojoule je Kilogramm auf der Abszisse dargestellt. Die Temperaturverläufe sind mit der jeweiligen Temperatur in Grad Celsius gekennzeichnet.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebssystems mit einer Hauptantriebsmaschine, insbesondere einem Verbrennungsmotor, und einer Hilfsantriebsmaschine, insbesondere einer elektrischen Antriebsmaschine, wobei ein Kompressor einer Kälteanlage, die zur Kühlung einer Batterie dient, vom Hybridantriebssystem angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung zumindest einer der Antriebsmaschinen jeweils um den Leistungsbedarf des Kompressors der Kälteanlage automatisch geregelt erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsbedarf des Kompressors der Kälteanlage anhand des Massenstroms des Kühlmediums in der Kälteanlage und der Enthalpiedifferenz des Kühlmediums vor und hinter dem Kompressor unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Kompressors berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenstrom des Kühlmediums anhand der Verlustleistung der Batterie dividiert durch die Enthalpiedifferenz des Kühlmediums vor und hinter dem Verdampfer des Kühlkreislaufs ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlustleistung der Batterie anhand der Spannungs- bzw. Stromwerte an der Batterie unter Berücksichtigung des Innenwiderstands der Batterie berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Druck- und Temperaturwerte des Kühlmediums an den Punkten vor und hinter dem Kompressor und vor und hinter dem Verdampfer gemessen werden und die entsprechende Enthalpiewerte Wertetabellen für die Gasphase bzw. für die Flüssigphase des Kühlmediums entnommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein erhöhter Leistungsbedarf des Kompressors der Kälteanlage bei Inanspruchnahme der Kälteanlage für die Kabinenkühlung eines Kraftfahrzeugs durch einen Zuschlagswert zum berechneten Leistungsbedarf berücksichtigt werden.