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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Heizvorrichtung zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeugs mit Elektroantrieb.
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Bei Elektrofahrzeugen ist keine Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine zum Heizen des Fahrzeuginnenraums verfügbar, sodass zum Heizen elektrische Energie benötigt wird. Nachdem aber elektrische Energie für den Antrieb des Fahrzeugs benötigt wird, sollte für Heizzwecke möglichst wenig elektrische Energie verbraucht werden.
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Es ist bekannt, bei Elektrofahrzeugen den Fahrgastraum nur durch eine elektrische Heizeinrichtung wie insbesondere PTC-Heizgeräte zu erwärmen. Hierdurch wird relativ viel elektrische Energie für Heizzwecke verbraucht.
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Wärmepumpensysteme sind sehr effiziente Heizungssysteme, nachdem sie mehr Wärme liefern als sie an elektrischer Energie für ihren Betrieb verbrauchen. Wenn eine Wärmepumpe in einem Fahrzeug verwendet wird, steht nur die relativ niedrige Temperatur der Umgebungsluft als Energiequelle zur Verfügung. Wenn diese aber unter etwa minus 5°C liegt, reicht die Leistung der Wärmepumpe nicht mehr aus, den Fahrgastraum ausreichend zu erwärmen.
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Erfindungsgemäß wird eine Heizvorrichtung mit einer Wärmepumpe zum Erwärmen des Fahrgastraums in Verbindung mit einem zusätzlichen Heizgerät vorgesehen, das elektrische Energie benötigt, wobei diese Heizvorrichtung so betrieben wird, dass für eine geforderte Heizleistung das elektrische Heizgerät zum Betrieb der Wärmepumpe bereits dann zugeschaltet wird, wenn erkennbar wird, dass der Wirkungsgrad der Wärmepumpe schwächer anzusteigen beginnt als der Wirkungsgrad des Heizgerätes. Durch einen derart kombinierten Betrieb von Wärmepumpe und Heizgerät ist es möglich, für eine geforderte Heizleistung weniger elektrische Energie zu verbrauchen als dies durch den Betrieb der Wärmepumpe allein oder des Heizgerätes allein möglich wäre.
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Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1 schematisch einen Wärmepumpenkreis mit einem zusätzlichen Heizgerät und dessen elektrischer Versorgung zum Erwärmen des Fahrzeuginnenraumes,
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2 ein Diagramm der Leistungsaufnahme im Verhältnis zur Heizleistung bei einer Wärmepumpe und einem PTC-Heizgerät,
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3 ein Diagramm entsprechend dem nach 2 mit Erläuterung der Ermittlung des Umschaltzeitpunkts zwischen Betrieb der Wärmepumpe allein und Betrieb der Wärmepumpe in Kombination mit PTC-Betrieb,
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4 ein entsprechendes Diagramm mit Erläuterung der eingesparten elektrischen Leistung, und
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5 eine Routine als Beispiel für die Einstellung verschiedener Betriebszustände zur Ermittlung der geringsten Leistungsaufnahme der Heizvorrichtung.
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1 zeigt schematisch eine Heizvorrichtung für einen nicht näher dargestellten Fahrzeuginnenraum P, umfassend einen Wärmepumpenkreis 1 und ein elektrisches Heizgerät 2. Der Wärmepumpenkreis 1 umfasst einen Kompressor 1.1, der verdichtetes Kältemittel an einen inneren Wärmeübertrager bzw. einen Kondensator 1.2 liefert, von dem aus das Kältemittel über ein Expansionsorgan 1.3 zu einem äußeren Wärmeübertrager bzw. Verdampfer 1.4 gelangt, dessen Ausgang mit dem Einlass des Verdichters bzw. Kompressors 1.1 verbunden ist. Der Verdampfer 1.4 wird von Außen- bzw. Umgebungsluft durchströmt. Der Kondensator 1.2 wird – wie dargestellt – ebenfalls von Umgebungsluft durchströmt oder auch von im Fahrgastraum P rezirkulierter Luft. Es ist auch eine Mischung aus Außenluft und rezirkulierter Luft für die Durchströmung des Kondensators 1.2 möglich. Die den Kondensator 1.2 durchströmende Luft strömt durch das Heizgerät 2 in den Fahrzeuginnenraum P. Hierbei ist der Kondensator 1.2 in Strömungsrichtung vor dem Heizgerät 2 angeordnet, sodass das Heizgerät die vom Kondensator schon erwärmte Luft zusätzlich aufheizt, wenn das Heizgerät 2 betrieben wird. Wie durch gestrichelte Linien dargestellt, wird sowohl der Kompressor 1.1 als auch das elektrische Heizgerät 2 von einer Batterie B mit Energie versorgt, die auch die Energiequelle für den Antrieb des Fahrzeugs darstellt.
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Das elektrische Heizgerät 2 ist vorzugsweise ein PTC-Heizgerät. Es kann aber auch jede andere elektrische Heizeinrichtung für einen Fahrgastinnenraum verwendet werden, die durch elektrische Leistungsaufnahme Wärme abgibt.
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1 zeigt nur die wesentlichen Elemente der Heizvorrichtung, wobei Sensoren zum Ermitteln der Innen- und Außenlufttemperatur sowie Sensoren zum Messen weiterer Parameter der Heizvorrichtung nicht wiedergegeben sind, die in einer Regel- und Steuereinrichtung 3 verarbeitet werden, die die Wärmepumpe 1 und das Heizgerät 2 ansteuert.
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2 zeigt die Heizleistung in kW des Wärmepumpenkreises bzw. der Wärmepumpe 1 über der elektrischen Leistungsaufnahme in kW, wobei die Drehzahl des Kompressors an einzelnen Stellen des Kurvenverlaufs angegeben ist. Die Heizleistung der Wärmepumpe 1 am Kondensator 1.2 steigt mit höher werdender Drehzahl nicht mehr so stark, insbesondere wenn am Kompressorausgang ein hoher Druck herrscht, weil relativ hohe Temperaturen am Kondensator vorliegen aufgrund von teilweise rezirkulierter Luft oder geringem Luftdurchsatz.
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Dem Verlauf der Kurve liegt als Beispiel eine Außentemperatur von 0°C und eine Luftströmungsgeschwindigkeit von 1,5 m/s durch den Verdampfer 1.4 sowie ein Luftdurchsatz von 160 kg/h am Kondensator 1.2 zugrunde. Mit höher werdender Drehzahl des Kompressors steigt die Leistungsaufnahme bei weniger stark ansteigender Heizleistung, wie sich aus dem flacher werdenden Verlauf der Kurve ergibt.
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Bei dem PTC-Heizgerät 2 ergibt sich unter Zugrundelegung eines Wirkungsgrades von z. B. 80% ein linearer Anstieg der Heizleistung über der Leistungsaufnahme, wobei sich deutlich zeigt, dass die Wärmepumpe 1 effizienter ist als das elektrische Heizgerät 2.
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3 erläutert bei gleicher Darstellung wie 2 den kombinierten Einsatz der beiden Heizsysteme 1 und 2. Wenn nur eine gewisse Heizleistung erforderlich ist, wird zunächst nur durch die Wärmepumpe 1 Wärme erzeugt. Ab einer vorgegebenen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe 1 wird von dem Heizbetrieb mit Wärmepumpe allein auf Heizbetrieb mit Wärmepumpe 1 plus elektrischem Heizgerät 2 umgeschaltet bzw. wird das Heizgerät 2 als zusätzliche Heizquelle zugeschaltet, um den geforderten erhöhten Wärmebedarf zu decken, der ansonsten nur durch weiter erhöhte Heizleistung der Wärmepumpe erzielt werden könnte.
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Bei der Darstellung in 3 wird dann umgeschaltet bzw. das Heizgerät 2 zugeschaltet, wenn der Gradient der Heizleistung der Wärmepumpe 1 gleich dem Gradienten der Heizleistung des zusätzlichen Heizgerätes 2 wird, das heißt ab der Bedingung, ab der der Verlauf der Kurve des elektrischen Heizgerätes 2 steiler wird als der der Wärmepumpe 1. Mit anderen Worten setzt der Betrieb des Heizgerätes bereits dann ein, wenn erkennbar wird, dass die Steigung der Heizleistungskurve bei weiterhin geforderter Heizleistung flacher wird als die Heizleistungskurve des Heizgerätes.
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Ab dem Zuschalten des Heizgerätes 2 ist es in der Praxis bevorzugt, die Leistung der Wärmepumpe bzw. die Drehzahl des Kompressors 1.1 nicht weiter zu erhöhen, sodass der zusätzliche Wärmebedarf durch das Heizgerät gedeckt wird. Es ist aber auch möglich, die Wärmepumpe 1 ab dem Zuschaltzeitpunkt des Heizgerätes 2 weiter mit gegebenenfalls erhöhter Drehzahl des Kompressors zu betreiben und nur noch den dann fehlenden Wärmebedarf durch das Heizgerät abzudecken, wie dies in 3 durch den Verlauf der beiden Kurven nach dem Zuschaltzeitpunkt angedeutet ist.
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Bei der Steuerung der Heizvorrichtung wird die Leistungsaufnahme sowohl der Wärmepumpe 1 bzw. des Kompressors 1.1 als auch des elektrischen Heizgerätes 2 gemessen, sodass in Abhängigkeit von den gemessenen Werten selbsttätig zwischen nur Wärmepumpenbetrieb einerseits und kombiniertem Betrieb andererseits umgeschaltet werden kann.
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4 zeigt bei einer von der Temperatureinstellung im Fahrgastraum geforderten Gesamtheizleistung von 4 kW eine durch die beschriebene Heizvorrichtung erzielbare Verringerung der elektrischen Leistungsaufnahme von etwa 0,4 kW, wobei etwa 3 kW von der Wärmepumpe und 1 kW von dem elektrischen Heizgerät 2 zur Verfügung gestellt werden.
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Damit kann durch den kombinierten Betrieb von Wärmepumpe 1 und elektrischem Heizgerät 2 bei höherem Wärmebedarf im Fahrgastraum eine deutliche Verringerung der elektrischen Leistungsaufnahme erzielt werden gegenüber einem Heizbetrieb, bei dem nur die Wärmepumpe 1 alleine die erforderliche Wärme liefert oder nur das elektrische Heizgerät 2 alleine die benötigte Wärme erzeugt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Verringerung der elektrischen Leistungsaufnahme bei 4 kW Gesamtheizleistung etwa 10%.
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Besonders vorteilhaft ist der kombinierte Betrieb von Wärmepumpe 1 und Heizgerät 2 bei mittleren Minustemperaturen von etwa minus 10°C bis 0°C, geringem Luftdurchsatz, teilweiser Rezirkulierung der Luft im Fahrgastraum und bei reduziertem Wirkungsgrad der Wärmepumpe aufgrund von Vereisung am Verdampfer.
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Zur Ermittlung des Umschaltzeitpunktes zwischen Betrieb der Wärmepumpe allein und Zuschalten des zusätzlichen Heizgerätes könnte der Verlauf der Heizleistungskurven wie dargestellt abgespeichert und der Gradient der beiden Kurven wie in den Figuren erläutert verglichen werden. Dies erfordert aber einen gewissen Aufwand, weil für verschiedene Betriebszustände Kurven gespeichert bzw. hinterlegt werden müssen.
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Anstelle der Hinterlegung von Heizleistungskurven ist es auch möglich, die geforderte Heizleistung z. B. anhand der Differenz zwischen Lufteintrittstemperatur und Luftaustrittstemperatur im Fahrgastraum abzuschätzen. Wenn der Gradient der Heizleistungskurven der beiden Heizsysteme unter gegebenen Betriebsbedingungen nicht bekannt ist, kann durch Messen unterschiedlicher Betriebszustände der Verlauf der Heizleistungskurven von Wärmepumpe einerseits und elektrischem Heizgerät andererseits anhand der Messpunkte abgeschätzt werden, worauf aus diesem abgeschätzten Gradienten der Heizleistung eine Annäherung an den optimalen Zuschaltzeitpunkt des Heizgerätes ermittelt wird.
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Eine andere, einfachere Möglichkeit ist, einen Grenzwert für die Kompressordrehzahl festzulegen, sodass ab einer vorgegebenen Drehzahl des Kompressors und zusätzlich angeforderter Heizleistung das Heizgerät 2 zugeschaltet wird. Der Grenzwert kann aus einem Mittelwert vonverschiedenen Betriebszuständen ermittelt werden.
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Vorzugsweise wird der Umschaltzeitpunkt durch eine Selbstoptimierung ermittelt, bei der der optimale Betriebszustand durch Vergleich verschiedener Betriebszustände festgestellt wird. Bei dieser Selbstoptimierung werden Randbedingungen der Heizvorrichtung konstant gehalten und es wird durch Variation von Parameter die Leistungsaufnahme in verschiedenen Betriebszuständen ermittelt, wobei jene Betriebsbedingung im Vergleich mit den anderen überprüften Betriebsbedingungen ausgewählt wird, bei der die geringste Leistungsaufnahme bei gleicher Heizleistung vorliegt. Es werden somit verschiedene Kombinationen von variierten Parametern überprüft und es wird jene Kombination für den Betrieb der Heizvorrichtung beibehalten, bei der die geringste Leistungsaufnahme bei der vorgegebenen Heizleistung benötigt wird.
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Zur Feststellung des optimalen Arbeitspunktes, d. h. des Zeitpunktes der Umschaltung von Betrieb der Wärmepumpe 1 allein auf Kombinationsbetrieb mit elektrischem Heizgerät 2, wird in einem Elektrofahrzeug die Leistungsaufnahme des Kompressors sowie des zusätzlichen elektrischen Heizgerätes gemessen. Der optimale Umschaltzeitpunkt von nur Wärmepumpenbetrieb auf Kombinationsbetrieb mit zusätzlichem Heizgerät und umgekehrt kann auch dadurch festgestellt werden, dass verschiedene andere Parameter wie Kompressordrehzahl und Heizleistung des Heizgerätes 2 variiert werden, um jene Bedingung festzustellen, bei der bei geringster elektrischer Leistungsaufnahme eine geschätzte Heizleistung erreicht wird. Hierbei können weitere Parameter wie Rezirkulation der Luftmenge, Drehzahl des nicht dargestellten Lüfters am Verdampfer, konstanter Luftdurchsatz und Außenlufttemperatur mit in die Berechnung eingehen. Auf diese Weise kann eine Selbstoptimierung des Betriebs der Heizvorrichtung erreicht werden.
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5 zeigt eine Routine bei der Ermittlung des Umschaltzeitpunktes. Sobald eine Änderung eines Parameters wie der Lufttemperatur und damit ein Optimierungsbedarf festgestellt wird, wird die Routine in Gang gesetzt, wobei in einem ersten Schritt S1 die vorhandenen Betriebsbedingungen gespeichert werden. In einem zweiten Schritt S2 wird abgefragt, ob die Luftaustrittstemperatur nach dem Kondensator 1.2 durch die Änderung gestiegen oder gefallen ist, woraufhin in einem weiteren Schritt S3 festgelegt wird, ob die Kompressordrehzahl erhöht oder abgesenkt wird. In einem Schritt S4 wird die elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors festgestellt und gespeichert, worauf die Kompressordrehzahl in einem Schritt S5 erhöht wird. In einem nächsten Schritt S6 wird die Leistung des elektrischen Zusatzheizgerätes 2 auf eine Solltemperatur eingestellt. In einem weiteren Schritt S7 wird die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe 1 und des Zusatzheizgerätes 2 gemessen und im Schritt S8 abgefragt, ob die elektrische Leistungsaufnahme erhöht ist. Wenn sie nicht erhöht ist, wird die Drehzahl des Kompressors im Schritt S9 in die andere Richtung geändert.
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Im Schritt S10 wird die Leistungsaufnahme vor Beginn der Routine mit der neuen Leistungsaufnahme verglichen und die Schrittfolge S3 bis S10 wiederholt, bis ein vorgegebener Wert der Differenz zwischen alter und neuer Leistungsaufnahme erreicht ist. In einem Schritt S11 werden die vorausgegangenen Schritte wiederholt, bis sich die Betriebsbedingungen nicht mehr ändern.
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Wenn festgestellt wird, dass keine große Änderung der Leistungsaufnahme auftritt, wird die Optimierung als beendet angesehen. Weiterhin wird die Abfrage zur Optimierung wiederholt, wenn eine Änderung einer Bedingung während der Optimierung auftritt.
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Das beschriebene Verfahren zum Betreiben einer Heizvorrichtung aus Wärmepumpe und elektrischem Heizgerät ist nicht nur bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb von Vorteil, sondern auch bei Hybrid-Fahrzeugen.
