DE102012105314A1

DE102012105314A1 - Wärmepumpensystem für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102012105314A1
Application number: DE102012105314A
Authority: DE
Inventors: Yong Hyun Choi; Jae Yeon Kim; Yong Woong Cha; Wan Je Cho; Jungha Park; Jaesan Kim; Man Hee Park
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: JP2013001387A; KR20120140101A; JP6041423B2; DE102012105314B4; CN102840710A; CN102840710B; KR101339226B1; US20120318012A1

Abstract

Ein Wärmepumpensystem (100) kann aufweisen: eine Kühlbaugruppe (110), die an einem Fahrzeug angeordnet ist, um elektrische Vorrichtungen (111) durch eine Kühlleitung (C. L) mit einem zirkulierenden Kühlmittel zu versorgen, wobei die Kühlbaugruppe (110) aufweist: einen Kühler (115), der an einer vorderen Seite des Fahrzeugs angeordnet ist; der eine Wasserpumpe (113) verwendet, um das Kühlmittel durch die Kühlleitung (C. L) zu zirkulieren; und der das gelieferte Kühlmittel mittels eines Wärmeaustauschs mit Außenluft kühlt, und ein Kühlgebläse (117), das Wind durch den Kühler (115) bläst; eine Klimatisierungsbaugruppe (150), die mit einer Kältemittelleitung (R. L), die mit der Kühlbaugruppe (110) verbunden ist, verbunden ist, um Heizen und Kühlen zu steuern; und einen Wärmetauscher (130), der mit der Kühlleitung (C. L) verbunden ist, so dass das Kühlmittel darin zirkuliert; der wahlweise eine Abwärme, die von den elektrischen Vorrichtungen (111) erzeugt wird, gemäß Modi verwendet, um die Temperatur des Kühlmittels zu variieren; und der mit der Kältemittelleitung (R. L) der Klimatisierungsbaugruppe (150) verbunden ist, so dass ein einströmendes Kältemittel Wärme mit dem Kühlmittel austauscht.

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung mit der Nummer 10-2011-0059768 , eingereicht beim Koreanischen Amt für geistiges Eigentum am 20. Juni 2011, deren gesamter Inhalt für alle Zwecke durch diese Bezugnahme hierin einbezogen ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wärmepumpensystem und ein Steuerverfahren desselben. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Wärmepumpensystem, das eine Abwärme bzw. eine Abhitze, die von elektrischen Vorrichtungen erzeugt wird, verwendet, das Heiz- sowie Entfeuchtungsvermögen (bzw. Trocknungsvermögen) verbessert, bei einer niedrigen Temperatur eine vordere (bzw. äußere) Ansammlung bzw. Akkumulation von Eis auf einem äußeren Kondensator verhindert und gleichzeitig eine Fahrdistanz bzw. eine Kilometerleistung erhöht. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Steuerverfahren desselben.
Im Allgemeinen weist ein Klimatisierungssystem bzw. eine Klimaanlage für ein Fahrzeug ein Klima- bzw. Klimatisierungsmodul auf, das den Fahrzeuginnenraum beheizt oder kühlt.
Solch ein Klimamodul führt ein wärmeaustauschendes Medium, z. B. ein Arbeitsfluid, durch einen Kondensator, einen Sammlertrockner, ein Expansionsventil und einen Verdampfer bzw. Evaporator mithilfe eines Kompressors (bzw. Verdichters) im Kreislauf (bzw. lässt es zirkulieren). Danach strömt das wärmeaustauschende Medium zurück zum Kompressor. Bei diesem Prozess beheizt das Klimamodul die Fahrzeugkabine mittels eines Wärmeaustauschs am Verdampfer oder kühlt die Fahrzeugkabine mittels eines Wärmeaustauschs mit einem Kühlmittel (z. B. Kühlwasser) an einem Heizelement bzw. einer Heizung.
Inzwischen sind die Energieeffizienz und die Umweltverschmutzung von wachsender Bedeutung, und es werden umweltfreundliche Fahrzeuge erforscht, die die Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren ersetzen sollen. Solche umweltfreundlichen Fahrzeuge sind z. B. Elektrofahrzeuge mit einer Brennstoffzelle oder Elektrizität als Antriebsquelle und Hybridfahrzeuge, die von einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Batterie angetrieben werden.
Ein Elektrofahrzeug unter den umweltfreundlichen Fahrzeugen verwendet eine elektrische Heizung, da das Elektrofahrzeug keinen Verbrennungsmotor als eine Wärmequelle aufweist.
Allerdings verbraucht die elektrische Heizung in überhöhtem Maße die elektrische Leistung, wodurch die Fahrstrecke des Elektrofahrzeugs reduziert wird. Um dieses Problem zu lasen, wird anstelle der elektrischen Heizung ein Wärmepumpensystem mit einer verbesserten Heizeffizienz vorgestellt.
Gemäß dem Wärmepumpensystem wird in einem Kühlmodus im Sommer ein gasförmiges Kältemittel mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck, das an einem Kompressor komprimiert wird, an einem Kondensator kondensiert bzw. verflüssigt und anschließend, nach Passieren eines Sammlertrockners und eines Expansionsventils, zu einem Verdampfer geliefert. Das gasförmige Kältemittel wird am Verdampfer verdampft und senkt die Temperatur sowie die Feuchte (bzw. die Humidität) im Fahrgastraum. Allerdings hat das Wärmepumpensystem die Eigenschaft, dass das gasförmige Kältemittel mit hoher Temperatur und hohem Druck als ein Heizmedium in einem Heizmodus im Winter verwendet wird.
Das heißt, dass im Heizmodus das gasförmige Kältemittel mit hoher Temperatur und hohem Druck nicht zu einem äußeren Kondensator geliefert wird, sondern zu einem inneren Kondensator mittels eines Ventils, und mit Luft Wärme austauscht. Die Luft, die Wärme ausgetauscht hat, passiert einen Positiver-Temperaturkoeffizient(PTC)-Heizer bzw. ein PTC-Heizelement. Danach strömt die Luft in den Fahrgastraum des Fahrzeugs und erhöht die Temperatur des Fahrgastraums des Fahrzeugs.
Das gasförmige Kältemittel mit hoher Temperatur und hohem Druck, das in den inneren Kondensator hineinströmt, wird durch den Wärmeaustausch mit der Luft kondensiert und strömt in einem Zustand des flüssigen Kältemittels heraus.
Allerdings ist das oben beschriebene, konventionelle Wärmepumpensystem von einer Bauart, bei der das Kältemittel mittels Außenluft bzw. Umgebungsluft gekühlt wird.
Außerdem wird das Kältemittel, das im Winter mittels Außenluft mit einer sehr tiefen oder tiefen Temperatur gekühlt wird, mittels eines inneren Kondensators gekühlt, um in einem sehr niedrigem Temperaturzustand an einen äußeren Kondensator abgegeben zu werden, und daher wird Eis auf einer Fläche des äußeren Kondensators gebildet, und der Wärmeaustauschwirkungsgrad des Wärmeaustauschmediums sowie das Heizvermögen und der Heizwirkungsgrad verschlechtern sich. In einem Fall, in dem vom Kühlmodus zum Heizmodus umgeschaltet wird, erhöht das Kondensat, das auf dem Verdampfer bleibt, die Feuchte bzw. Humidität, so dass Feuchtigkeit (z. B. in Form von Beschlagen) an der inneren Seite des Fahrzeugglases gebildet wird.
Um diese Probleme zu lösen, wird in einem Abtau- bzw. Entfrostungsmodus, bei dem eine Fläche (z. B. eine Oberfläche) des äußeren Kondensators entfrostet wird, der Betrieb des Kompressors gestoppt, und das Heizen wird nur vom PTC-Heizer durchgeführt. Daher können die Heizleistung in starkem Maße verschlechtert werden, die Heizlast bzw. der Heizaufwand aufgrund der Zunahme des Leistungsverbrauchs zunehmen und die Fahrstrecke bzw. Laufleistung abnehmen, wenn während eines Heizvorgangs gefahren wird.
Da eine Wärme zur Umwandlung des flüssigen Kältemittels zu einem gasförmigen Kältemittel nicht ausreichend ist, wenn das flüssige Kältemittel in den inneren Kondensator strömt, können sich zusätzlich der Kompressionswirkungsgrad und die Heizleistung ernsthaft verschlechtern, wenn die Lufttemperatur niedrig ist. Folglich kann das System instabil werden, und die Dauerhaltbarkeit des Kompressors kann sich verschlechtern, wenn das flüssige Kältemittel in den Kompressor strömt.
Zusätzlich können in einem Entfeuchtungsmodus, bei dem Feuchtigkeit bzw. Feuchte aus dem Fahrgastraum des Fahrzeugs beseitigt wird, aufgrund von häufigem Öffnungs- und Schließbetrieb eines Zweiwege-Ventils Geräusch und Vibrationen auftreten.
Die hier im Zusammenhang mit dem Hintergrund der Erfindung offenbarten Informationen sollen lediglich dem besseren Verständnis des allgemeinen Hintergrunds der Erfindung dienen und sollen nicht als eine Anerkennung oder irgendeine Form von Hinweis verstanden werden, dass diese Informationen einen dem Fachmann bereits bekannten Stand der Technik darstellen.
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind darauf gerichtet, ein Wärmepumpensystem für ein Fahrzeug bereitzustellen, das Vorteile aufweist in Bezug auf eine Nutzung von einer Abwärmequelle bzw. Abwärme in elektrischen Vorrichtungen zur Aufheizung von einem Kühlmittel und zum Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und einem Kältemittel, um die Heizleistung und den Entfeuchtungswirkungsgrad zu verbessern und um eine Akkumulation von Eis am äußeren Kondensator zu verhindern, und ein Steuerverfahren desselben bereitzustellen.
Außerdem sind verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung darauf gerichtet, ein Wärmepumpensystem für ein Fahrzeug bereitzustellen, das Vorteile aufweist in Bezug auf eine Reduzierung einer Heizlast in einem Heizmodus eines Fahrzeugs und eine Erhöhung einer Gesamtfahrstrecke mit der gleichen Energiequelle bzw. -menge, und ein Steuerverfahren desselben.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Wärmepumpensystem aufweisen: eine Kühlbaugruppe, die an einem Fahrzeug angeordnet ist, um elektrische Vorrichtungen durch eine Kühlleitung bzw. Kühlmittelleitung mit einem zirkulierenden Kühlmittel, z. B. Kühlwasser, zu versorgen, wobei die Kühlbaugruppe aufweisen kann: einen Kühler bzw. einen Radiator, der an einer vorderen Seite des Fahrzeugs angeordnet ist; der eine Wasserpumpe verwendet, um das Kühlmittel durch die Kühlleitung zu zirkulieren; und der das gelieferte Kühlmittel mittels eines Wärmeaustauschs mit Außenluft kühlt, und ein Kühlgebläse, das Wind durch den Kühler bläst; eine Klimatisierungsbaugruppe bzw. eine Klimabaugruppe, die mit einer Kältemittelleitung, die mit der Kühlbaugruppe verbunden ist, verbunden ist, um Heizen und Kühlen zu steuern; und einen Wärmetauscher, der mit der Kühlleitung verbunden ist, so dass das Kühlmittel darin zirkuliert; der wahlweise eine Abwärme, die von den elektrischen Vorrichtungen erzeugt wird, gemäß verschiedener Modi bzw. Betriebsarten verwendet, um die Temperatur des Kühlmittels zu variieren; und der mit der Kältemittelleitung der Klimatisierungsbaugruppe verbunden ist, so dass ein einströmendes Kältemittel Wärme mit dem Kühlmittel austauscht.
Die Klimatisierungsbaugruppe kann aufweisen: ein HVAC(Heizen, Lüften und Klimatisieren)-Modul, das mit einem Verdampfer und einem Öffnungs-/Schließmittel, z. B. eine Klappe bzw. eine Tür, darin ausgestattet ist, wobei das Öffnungs-/Schließmittel wahlweise geschlossen ist, so dass die Außenluft, die den Verdampfer passiert, zu einem inneren Kondensator bzw. internen Kondensator und einem PTC(Positiver-Temperaturkoeffizient)-Heizer bzw. -Heizelement geliefert wird gemäß Heiz-, Kühl-, Entfeuchtungsmodi; einen Kompressor bzw. Verdichter, der über die Kältemittelleitung mit dem Verdampfer verbunden ist und ein gasförmiges Kältemittel komprimiert; einen Akkumulator bzw. einen Speicher, der an der Kältemittelleitung zwischen dem Kompressor und dem Verdampfer angeordnet ist und den Kompressor mit dem gasförmigen Kältemittel versorgt; einen äußeren Kondensator bzw. externen Kondensator, der in einem Motorraum des Fahrzeugs angeordnet ist; der mit der Kältemittelleitung verbunden ist; und der das Kältemittel kondensieren lässt bzw. verflüssigt; ein erstes Ventil, das gemäß einem Modus des Fahrzeugs wahlweise den inneren Kondensator oder den äußeren Kondensator mit dem Kältemittel versorgt, der vom Kompressor abgegeben wird; ein erstes Expansionsventil, das das den inneren Kondensator passierende bzw. durchlaufende Kältemittel erhält, um das Kältemittel zu expandieren bzw. zu entspannen; ein zweites Ventil, das wahlweise den äußeren Kondensator oder den Wärmetauscher mit dem vom ersten Expansionsventil erhaltenen, expandierten Kältemittel versorgt; ein drittes Ventil, das wahlweise den Verdampfer oder den Akkumulator mit dem Kältemittel, das den äußeren Kondensator oder den Wärmetauscher passiert, versorgt; und ein zweites Expansionsventil, das den Verdampfer mit dem dritten Ventil verbindet und das Kältemittel, das durch das dritte Ventil geliefert wird, expandiert.
Vorzugsweise ist ein Drucksensor an der Kältemittelleitung angeordnet, die den Kompressor mit dem ersten Ventil verbindet.
Vorzugsweise sind das erste, das zweite und das dritte Ventil Dreiwege-Ventile.
Vorzugsweise sind die Kühlbaugruppe und die Klimatisierungsbaugruppe mit einer Steuervorrichtung verbunden, um mittels eines Steuersignals der Steuervorrichtung betrieben zu werden.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann in einem Verfahren zur Steuerung eines Wärmepumpensystems für ein Fahrzeug, das angewandt wird auf ein Wärmepumpensystem, das Wärmepumpensystem aufweisen: eine Kühlbaugruppe, die mit einer Steuervorrichtung verbunden ist und aufweist: einen Kühler, eine Wasserpumpe und elektrische Vorrichtungen, die jeweils mittels einer Kühlleitung verbunden sind; eine Klimatisierungsbaugruppe, die mittels einer Kältemittelleitung verbunden ist und aufweist: ein HVAC-Modul mit einer Mehrzahl von Ventilen, ein Expansionsventil, einen Kompressor, einen Akkumulator, einen Verdampfer, einen äußeren Kondensator, einen inneren Kondensator, einen PTC-Heizer und ein Öffnungs-/Schließmittel; und einen Wärmetauscher, der mit der Kühlleitung und der Kältemittelleitung verbunden ist und verwendet wird, um ein Heiz-, ein Kühl- und ein Entfeuchtungsmodus gemäß einer Auswahl eines Benutzers zu betreiben, wobei während des Heizmodus die Schritte ausgeführt werden können: Anheben der Temperatur eines Kühlmittels, das zu dem Wärmetauscher geliefert wird, mittels der Kühlbaugruppe durch eine Abwärme, die von den elektrischen Vorrichtungen erzeugt wird, und Anheben der Temperatur des Kältemittels durch einen Wärmeaustausch mit dem Kältemittel, das zu dem Wärmetauscher über die Kältemittelleitung geliefert wird; Passieren des Kältemittels, das aufgrund des Wärmetauschers geheizt wird, mittels der Klimatisierungsbaugruppe durch den Akkumulator und den Kompressor hindurch über die Kältemittelleitung, indem ein drittes Ventil geöffnet wird, um es zu einem inneren Kondensator des HVAC-Moduls mittels eines Betriebs eines ersten Ventils zu liefern; Liefern des Kältemittels, das den inneren Kondensator passiert, zum Wärmetauscher mittels eines Betriebs eines zweiten Ventils in einem expandierten Zustand durch ein erstes Expansionsventil; und Öffnen des Öffnungs-/Schließmittels, so dass eine Außenluft, die den Verdampfer des HVAC-Moduls passiert, den inneren Kondensator passiert, und die eingeströmte Außenluft den inneren Kondensator passiert, um einen Innenraum des Fahrzeugs zu heizen in Verbindung mit dem Betrieb eines PTC-Heizers.
Im Kühlmodus werden vorzugsweise die Schritte ausgeführt: Betreiben der Wasserpumpe mittels der Kühlbaugruppe, um ein Kühlmittel zum Wärmetauscher zu liefern und die elektrischen Vorrichtungen zu kühlen in einem Zustand, in dem der Kühler das einströmende Kühlmittel mittels eines Betriebs eines Kühlgebläses kühlt und ein Kältemittel mittels eines Wärmeaustauschs mit dem Kühlmittel mit niedriger Temperatur gemäß einem vorbestimmten Zustand kühlt; Betreiben des dritten. Ventils mittels der Klimatisierungsbaugruppe, um den Verdampfer mit dem expandierten Kältemittel zu versorgen, so dass das Kältemittel von niedriger Temperatur, das beim Passieren des äußeren Kondensators gekühlt wird, zum zweiten Expansionsventil, das mit dem Verdampfer des HVAC-Moduls verbunden ist, geliefert wird, wobei das Kältemittel, das mittels eines Wärmeaustauschs mit Außenluft im Verdampfer verdampft, den Akkumulator und den Kompressor passiert, um komprimiert zu werden; Betreiben des ersten Ventils, um die Kältemittelleitung zu öffnen, die mit dem äußeren Kondensator verbunden ist, so dass das komprimierte Kältemittel zum äußeren Kondensator geliefert wird; und Schließen des Öffnungs-/Schließmittels, so dass die Außenluft den Verdampfer passiert, um mittels des Kältemittels, das zum Verdampfer geliefert wird, gekühlt zu werden, und so dass die Außenluft direkt zu einem Innenraum eines Fahrzeugs geliefert wird und die gekühlte Außenluft nicht zum inneren Kondensator geliefert wird.
Im Entfeuchtungsmodus werden vorzugsweise die Schritte ausgeführt: Kühlen des Kühlmittels, das zum Kühler geliefert wird, mittels des Betriebs des Kühlgebläses der Kühlbaugruppe; Kühlen der elektrischen Vorrichtungen mittels des Betriebs der Wasserpumpe; Liefern des Kühlmittels zum Wärmetauscher; und Kühlen des Kältemittels mittels eines Wärmeaustauschs mit dem Kühlmittel, das zum Wärmetauscher geliefert wird; Öffnen des dritten Ventils mittels der Klimatisierungsbaugruppe, so dass das Kältemittel, das während des Passierens des Wärmetauschers gekühlt wird, zum zweiten Expansionsventil geliefert wird, das mit dem Verdampfer des HAVC-Moduls verbunden ist, um das expandierte Kältemittel zum Verdampfer zu liefern, wobei das Kältemittel, das mittels eines Wärmeaustauschs mit einer Außenluft im Verdampfer verdampft, den Akkumulator und den Kompressor passiert, um komprimiert zu werden; Betreiben des ersten Ventils, um die Kältemittelleitung zu öffnen, die mit dem inneren Kondensator verbunden ist, so dass ein komprimiertes Kältemittel zum inneren Kondensator geliefert wird; Betreiben des zweiten Ventils, um das Kältemittel, das den inneren Kondensator passiert, zum Wärmetauscher in einem expandierten Zustand durch das erste Expansionsventil zu liefern; und Öffnen des Öffnungs-/Schließmittels, so dass eine Außenluft, die den Verdampfer des HAVC-Moduls passiert, den inneren Kondensator passiert und die einströmende Außenluft den inneren Kondensator und den PTC-Heizer passiert, um einen Innenraum des Fahrzeugs zu entfeuchten.
Vorzugsweise steuert im Entfeuchtungsmodus die Steuervorrichtung eine Öffnungsrate des ersten und des zweiten Expansionsventils, um eine Expansionsrate des Kältemittels zu steuern.
Vorzugsweise steuert im Heizmodus, im Kühlmodus und im Entfeuchtungsmodus die Steuervorrichtung eine Betriebsleistung bzw. -strom des Kühlgebläses und eine Strömungs- bzw. Durchflussrate der Wasserpumpe gemäß der Temperatur der Abwärme, die von den elektrischen Vorrichtungen erzeugt wird, und gemäß der Temperatur des Kühlmittels und des Kältemittels.
Vorzugsweise kann das Wärmepumpensystem ferner ein viertes Ventil aufweise, das konfiguriert ist, um das Kühlmittel gemäß einem Heizmodus und einem Entfeuchtungsmodus am Kühler vorbeizuführen (bzw. als Bypass am Kühler vorbeizuleiten).
In dem Wärmepumpensystem für ein Fahrzeug und dem Steuerverfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmetauscher, der ein Kühlmittel als ein Wärmetauschermedium verwendet, angewandt und eine Abwärmequelle von den elektrischen Vorrichtungen genutzt, um Wärme mit dem Kältemittel auszutauschen, so dass die Heizleistung, der Heizwirkungsgrad sowie die Entfeuchtungsleistung verbessert werden, und um die Eisakkumulation an dem äußeren Kondensator bei kaltem Wetter zu verhindern.
Außerdem wird im Heizmodus bei sehr kaltem Wetter während eines Leerlaufzustands und eines Fahrzustands mit einem Betrieb des PTC-Heizers gleichzeitig das Gesamtsystem betrieben, um die Zunahme des Leistungs- bzw. Stromverbrauchs zu verhindern, so dass die Heizlast reduziert wird und somit die Fahrstrecke des Fahrzeugs bei gleicher Leistung erhöht wird.
Ferner hält das System im Kühlmodus einen Klimatisierungszustand eines luftgekühlten Typs mittels eines äußeren Kondensators, um so die Kühlleistung zu verbessern. Ferner sind das erste, das zweite und das dritte Ventil Dreiwege-Ventile, um einen häufigen Öffnungs- sowie Schließbetrieb zu reduzieren, so dass das Geräusch und die Vibrationen reduziert werden können.
Die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung haben weitere Merkmale und Vorteile, wie im Detail aus den angehängten Zeichnungen, die hierin einbezogen sind, und den folgenden näheren Beschreibungen sichtbar werden, die zusammen zur Erläuterung gewisser Prinzipien der vorliegenden Erfindung dienen.
1 ist ein Blockschaltbild eines Wärmepumpensystems für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Betriebszustand eines Wärmepumpensystems für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt einen Kühlmoduszustand eines Wärmepumpensystems für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt einen Entfeuchtungsmoduszustand eines Wärmepumpensystems für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Es versteht sich, dass die angehängten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind und lediglich eine vereinfachte Darstellung der verschiedenen Merkmale gemäß den Grundprinzipien der Erfindung repräsentieren. Die besonderen Gestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie hierin offenbart, einschließlich, zum Beispiel, besondere Dimensionen, Orientierungen, Lagen und Umrisse, werden in Teilen durch eine besonders beabsichtigte Anwendung und Nutzungsumfeld bestimmt werden.
In den Figuren kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Bauteile der vorliegenden Erfindung in allen verschiedenen Figuren der Zeichnungen.
Es wird nun im Detail Bezug genommen auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Während die Erfindung im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschrieben wird, versteht sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht beabsichtigt, die Erfindungen auf diese beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Auf der anderen Seite ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen Äquivalente und andere Ausführungsformen decken, die in den Sinn und Schutzbereich der Erfindung fallen, wie in den angehängten Patentansprüchen definiert.
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im Detail mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Blockschaltbild eines Wärmepumpensystems für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen verwenden das Wärmepumpensystem 100 für ein Fahrzeug sowie das Steuerverfahren desselben gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Abwärme, die von elektrischen Vorrichtungen erzeugt werden, verbessern die Heiz- und die Entfeuchtungsleistung, verhindern die vordere Akkumulation von Eis an einem äußeren Kondensator bei einer niedrigen Temperatur und erhöhen gleichzeitig eine Fahrdistanz.
Außerdem wird eine Heizlast, die in einem Heizmodus eines Fahrzeugs generiert werden kann, reduziert, um die Gesamtfahrdistanz eines Fahrzeugs bei gleicher Kraftstoffmenge zu erhöhen.
Zu diesem Zweck weist das Wärmepumpensystem 100 für das Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 1 gezeigt, auf: eine Kühlbaugruppe 110, die an einem Fahrzeug angeordnet ist, um ein Kühlmittel zu elektrischen Vorrichtungen 111 und einem Verbrennungsmotor in einem Hybridfahrzeug mittels einer Kühlleitung (hiernach „C. L”) zu liefern und zu zirkulieren; und eine Klimatisierungsbaugruppe 150, die mit einer Kältemittelleitung (hiernach „R. L”) verbunden ist, um Heizen und Kühlen eines inneren Fahrgastraums zu steuern.
In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform weist die Kühlbaugruppe 110 auf: einen Kühler 115, der an der vorderen Seite des Fahrzeugs angeordnet ist, um das Kühlmittel mittels einer Wasserpumpe 113 zu zirkulieren (bzw. in einem Kreislauf zu halten) und das Kühlmittel mittels Wärmeaustausch mit Außenluft zu kühlen; und ein Kühlgebläse 117, das an der Rückseite des Kühlers 115 angeordnet ist.
Ferner weist das Wärmepumpensystem 100 einen Wärmetauscher 130 auf, der zwischen den elektrischen Vorrichtungen 111 und dem Kühler 115 angeordnet bzw. geschaltet ist, um jeweils mit der Kühlleitung C. L und der Kältemittelleitung R. L verbunden zu sein.
Der Wärmetauscher 130 ist mit der Kühlleitung verbunden, um das Kühlmittel zu zirkulieren, und verwendet selektiv die Abwärmequelle, die von den elektrischen Vorrichtungen 111 erzeugt wird, um die Temperatur des Kühlmittels abhängig von einem Heizmodus, einem Kühlmodus und einem Entfeuchtungsmodus zu variieren, so dass das Kältemittel, das über die Kältemittelleitung geliefert wird, Wärme mit dem Kühlmittel austauscht.
Das heißt, dass der Wärmetauscher 130 von einer wassergekühlten Bauart sein kann, die ein Kühlmittel zum Wärmeaustausch mit dem Kältemittel benutzt.
Der Wärmetauscher 130 weist einen Temperatursensor auf, der darin angeordnet ist, und der Temperatursensor kann die Temperatur des Kühlmittels und des Kältemittels detektieren.
In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform weist die Klimatisierungsbaugruppe 150 auf: ein HVAC-Modul 151 (Heizen, Lüften und Klimatisieren bzw. Kühlen), einen Kompressor 161, einen Akkumulator 163, einen äußeren Kondensator 164, ein erstes, ein zweites, ein drittes Ventil 165, 167, 169 und ein erstes sowie ein zweites Expansionsventil 171, 173. Diese werden im Folgenden beschrieben.
Zunächst weist das HVAC-Modul 151 auf: einen Verdampfer 157, der Luft kühlt; einen inneren Kondensator 153, der die den Verdampfer 157 passierende Luft heizt; und ein Öffnungs-/Schließmittel 159, das darin angeordnet ist, wobei das Öffnungs-/Schließmittel 159 derart gesteuert wird, dass die Außenluft, die den Verdampfer 157 passiert, wahlweise zum inneren Kondensator 153 und einem PTC-Heizer 155 geliefert wird in Abhängigkeit vom Kühl-, Heiz- und Entfeuchtungsmodus.
Das heißt, dass das Öffnungs-/Schließmittel 159 geöffnet wird, um die den Verdampfer 157 passierende Außenluft im Heizmodus des Fahrzeug zum inneren Kondensator 153 und dem PTC-Heizer 155 zu führen, und geschlossen wird, um die den Verdampfer 157 passierende Außenluft (direkt) zum Innenraum des Fahrzeugs zu führen.
In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ist der Kompressor 161 mittels der Kältemittelleitung R. L mit dem Verdampfer 157 verbunden, um das gasförmige Kältemittel zu komprimieren.
Ferner ist der Akkumulator 163 an der Kältemittelleitung R. L zwischen dem Kompressor 161 und dem Verdampfer 157 angeordnet. Der Akkumulator 163 speichert das flüssige Kältemittel darin und liefert das gasförmige Kältemittel zum Kompressor 161, um den Wirkungsgrad und die Dauerhaltbarkeit des Kompressors 161 zu erhöhen.
Der äußere Kondensator 164 ist an einer vorderen Seite des Kühlers 115 des Fahrzeugs angeordnet, um mit der Kältemittelleitung R. L verbunden zu sein, und erhält das vom Kompressor 161 abgegebene Kältemittel, um es zu verflüssigen bzw. kondensieren zu lassen.
Das erste Ventil 165 versorgt wahlweise den inneren Kondensator 153 oder den äußeren Kondensator 164 mit dem Kältemittel, das vom Kompressor 161 abgegeben wird, abhängig von dem Modus des Fahrzeugs in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform.
Das erste Expansionsventil 171 erhält das Kältemittel, das den inneren Kondensator 153 passiert, mittels der Kältemittelleitung R. L und expandiert (bzw. entspannt) es.
Hierbei ist ein Drucksensor 175 an der Kältemittelleitung R. L zwischen dem Kompressor 161 und dem ersten Ventil 165 angeordnet, und der Drucksensor 175 detektiert die Temperatur des komprimierten Kältemittels, das vom Kompressor 161 austritt.
Das zweite Ventil 167 versorgt wahlweise den äußeren Kondensator 164 oder den Wärmetauscher 130 mit dem Kältemittel, das mittels des ersten Expansionsventils 171 expandiert worden ist.
Das dritte Ventil 169 versorgt wahlweise den Verdampfer 157 oder den Akkumulator 163 mit dem Kältemittel, das den Wärmetauscher 130 oder den äußeren Kondensator 164 passiert.
Ferner ist das zweite Expansionsventil 173 zwischen dem Verdampfer 157 und dem dritten Ventil 169 angeordnet, um das einströmende Kältemittel zu expandieren, und versorgt den Verdampfer 157 mit dem expandierten Kältemittel mittels des dritten Ventils 169.
Hierbei wird das erste Ventil 165 verwendet, um das Kältemittel zum inneren Kondensator 153 oder dem Wärmetauscher 130 zu führen, das zweite Ventil 167 wird verwendet, um das Kältemittel zum Wärmetauscher 130 oder dem äußeren Kondensator 164 zu führen, und das dritte Ventil 169 wird verwendet, um das Kältemittel zum Akkumulator 163 oder dem zweiten Expansionsventil 173 zu führen, wobei die Ventile 165, 167 und 169 Dreiwege-Ventile sein können, die selektiv die Kältemittelleitung R. L verbinden.
Die Kühlbaugruppe 110 und die Klimatisierungsbaugruppe 150, die die oben beschriebene Konfiguration haben, werden jeweils mit einer Steuervorrichtung 180 verbunden, um mittels des Steuersignals der Steuervorrichtung 180 betrieben zu werden.
Das heißt, dass die Steuervorrichtung 180 das Kühlgebläse 117 und die Wasserpumpe 113 der Kühlbaugruppe 110 gemäß dem Heizmodus, dem Kühlmodus, dem Entfeuchtungsmodus sowie dem Signal, das vom Temperatursensor des Wärmetauschers ausgegeben wird, steuert.
Die Steuervorrichtung 180 steuert auch das Öffnungs-/Schließmittel 159 des HVAC-Moduls 151 in der Klimatisierungsbaugruppe 150 in Abhängigkeit von dem Modus des Fahrzeugs und steuert gleichzeitig das erste, das zweite und das dritte Ventil 165, 167, 169 sowie das erste und das zweite Expansionsventil 171, 173, um die Expansionsmenge des Kältemittels zu steuern.
Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf 2 bis 4 der Betrieb eines Wärmepumpensystems für ein Fahrzeug und das Steuerverfahren davon gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
2 bis 4 zeigen Betriebszustände eines Heizmodus, eines Kühlmodus und eines Entfeuchtungsmodus eines Wärmepumpensystems für ein Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Hierbei können der Heizmodus, der Kühlmodus und der Entfeuchtungsmodus des Wärmepumpensystems 100 mittels einer Auswahl eines Benutzers oder mithilfe einer automatischen Steuerung ausgeführt werden.
Zunächst wird bezugnehmend auf 2 der Heizmodus des Wärmepumpensystems 100 erläutert.
Bezugnehmend auf 2 heizt die Kühlbaugruppe 110 im Heizmodus das Kühlmittel mittels Verwendung der Abwärmequelle der elektrischen Vorrichtungen 111 und liefert das aufgeheizte Kühlmittel zum Wärmetauscher 130, der mit der der Kühlleitung C. L verbunden ist.
In diesem Fall kann das Kühlgebläse 117 gestoppt sein oder mit einer langsamen Drehzahl betrieben werden, um die Kühlung des Kühlmittels, das dem Kühler 117 zugeführt wird, zu verzögern oder zu verhindern.
In diesem Zustand erhöht der Wärmetauscher 130 die Temperatur des Kühlmittels mittels eines Wärmeaustauschs mit dem Kältemittel, das über die Kältemittelleitung R. L geliefert wird.
Hierbei detektiert die Steuervorrichtung 180 die Temperatur des Kühlmittels und des Kältemittels mittels des Temperatursensors, der in dem Wärmetauscher 130 angeordnet ist, und steuert die Betriebsartenebene bzw. Betriebsparameter der Wasserpumpe 113 und des Kühlgebläses 117 in Abhängigkeit von der Abwärme von den elektrischen Vorrichtungen 111, der Temperatur des Kühlmittels und der Temperatur des Kältemittels.
Die Klimatisierungsbaugruppe 150 steuert dann das dritte Ventil 169, um über die Kältemittelleitung R. L den Akkumulator 163 und den Kompressor 161 mit dem Kältemittel zu versorgen, das im Wärmetauscher 130 mittels des Kühlmittels aufgeheizt worden ist.
Dementsprechend passiert das Kältemittel den Kompressor 161, um komprimiert zu werden zu einem gasförmigen Zustand, der eine hohe Temperatur und einen hohen Druck hat, um zum inneren Kondensator 153 mittels Öffnens des ersten Ventils 165 an der Kältemittelleitung R. L, die mit dem inneren Kondensator 153 verbunden ist, geliefert zu werden.
Hierbei misst der Drucksensor 175, der an der Kältemittelleitung R. L zwischen dem Kompressor 161 und dem ersten Ventil 165 angeordnet ist, den Druck des Kältemittels, das vom Kompressor 161 abgegeben wird, um den gemessenen Wert an die Steuervorrichtung 180 zu übermitteln.
Die Steuervorrichtung 180 detektiert den Druck des Kältemittels in Abhängigkeit von dem Wert, der mittels des Drucksensors 175 gemessen ist, um die Öffnungsrate des ersten Ventils 165 gemäß dem geforderten Fahrzeugzustand zu steuern.
Das Kältemittel, das den inneren Kondensator 153 passiert, wird mittels des ersten Expansionsventils 171 expandiert, um entlang der Kältemittelleitung R. L zu strömen, und wird dem Wärmetauscher 130 mittels des Betriebs des zweiten Ventils 167 zugeführt, und das Kältemittel zirkuliert in der Kältemittelleitung R. L mittels des oben beschriebenen Betriebs.
Das heißt, dass, wenn das gasförmige Kältemittel mit hoher Temperatur und mit hohem Druck im Heizmodus zum inneren Kondensator 153 geliefert wird, die Steuervorrichtung 180 das Öffnungs-/Schließmittel 159 öffnet, so dass die Außenluft, die den Verdampfer 157 des HAVC-Moduls 151 passiert, zum inneren Kondensator 153 geliefert wird.
Daher wird, wenn die einströmende Luft den Verdampfer 157 passiert, wobei kein Kältemittel dort hinein geliefert wird, die Außenluft nicht mittels des Verdampfers 157 gekühlt und wird zum inneren Kondensator 153 geliefert, um dadurch geheizt zu werden. Die aufgeheizte Luft wird dem Innenraum des Fahrzeugs zugeführt, wobei der PTC-Heizer 155 selektiv betrieben werden kann.
Der Betrieb des Kühlmodus des Wärmepumpensystems 100 und das Steuerverfahren davon in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform werden mit Bezug auf 3 beschrieben.
Zunächst betreibt im Kühlmodus, wie in 3 gezeigt, die Kühlbaugruppe 110 das Kühlgebläse 117 mittels der Steuervorrichtung 180, um das in dem Kühler 115 zirkulierende Kühlmittel zu kühlen.
Bei diesem Prozess wird das Kühlgebläse 117 bei einer maximalen Drehzahl betrieben, um effektiv das in dem Kühler 115 zirkulierende Kühlmittel zu kühlen.
In diesem Zustand wird das gekühlte Kühlmittel mittels der Wasserpumpe 113 über die Kühlleitung C. L zirkuliert bzw. im Kreislauf gehalten, um die elektrischen Vorrichtungen 111 zu kühlen.
Hierbei detektiert die Steuervorrichtung 180 die Kühlmitteltemperatur mittels des Temperatursensors, der in dem Wärmetauscher 130 angeordnet ist, und steuert die Strömungsrate bzw. die Förderrate der Wasserpumpe 113 oder steuert die Strömungsrate des Kühlgebläses 117 in Abhängigkeit von der Temperatur der Abwärmequelle der elektrischen Vorrichtungen 111 und der Temperatur des Kühlmittels.
Die Klimatisierungsbaugruppe 150 steuert dann das erste Ventil 165, um die Kältemittelleitung R. L, die mit dem äußere Kondensator 164 verbunden ist, zu öffnen, so dass das Kältemittel, das vom Kompressor 161 abgegeben wird, zum äußeren Kondensator 164 geliefert wird, um kondensiert zu werden.
Bei diesem Prozess ist der äußere Kondensator 164 an einer vorderen Seite des Kühlers 115, der an einer vorderen Seite des Fahrzeug angeordnet ist, angeordnet, und daher wird das Kühlmittel, das im Kondensator 164 zirkuliert, gekühlt und kondensiert aufgrund des Windes, der in die vordere Seite eines Fahrzeugs strömt, und des Windes, der mittels des Kühlgebläses erzeugt wird.
Danach steuert die Steuervorrichtung 180 das dritte Ventil 169, um die Kältemittelleitung R. L zu öffnen, so dass das Kältemittel, das den äußeren Kondensator 164 passiert, zum zweiten Expansionsventil 173 geliefert wird, der mit dem Verdampfer 157 des HAVC-Moduls 151 verbunden ist.
Das Kältemittel mit niedriger Temperatur, das in das zweite Expansionsventil 173 hineinströmt, wird expandiert, um über die Kältemittelleitung R. L zu dem Verdampfer 157 geliefert zu werden.
Als nächstes verdampft das Kältemittel in dem Verdampfer 157 aufgrund des Wärmeaustauschs mit der Außenluft und passiert den Akkumulator 163 und den Kompressor 161 entlang der Kältemittelleitung R. L, um komprimiert zu werden.
Das erste Ventil 165 wird geöffnet, um die Kältemittelleitung R. L zu öffnen, die mit dem äußeren Kondensator 164 verbunden ist, so dass das Kältemittel, das mittels des obigen Prozesses komprimiert worden ist, in den äußeren Kondensator 164 hineinströmt und in der beschriebenen Weise wiederholt in der Kältemittelleitung R. L zirkuliert.
Hierbei passiert die in das HAVC-Modul 151 einströmende Außenluft den Verdampfer 157, um mittels des Kältemittels mit niedriger Temperatur gekühlt zu werden, das in den Verdampfer 157 hineinströmt.
Das Öffnungs-/Schließmittel 159 schließt die Passage, die mit dem inneren Kondensator 153 verbunden ist, und die gekühlte Außenluft passiert nicht den inneren Kondensator 153 sowie den PTC-Heizer 155, so dass die gekühlte Außenluft direkt in den Innenraum des Fahrzeugs gelangt.
Der Entfeuchtungsmodus des Wärmepumpensystems 100 wird mit Bezug auf 4 beschrieben.
Zunächst, wie in 4 gezeigt, steuert die Steuervorrichtung 180 im Entfeuchtungsmodus das Kühlgebläse 117 an, um mittels der Steuervorrichtung 180 gesteuert zu werden und das in den Kühler 115 strömende Kühlmittel zu kühlen.
In diesem Zustand zirkuliert in der Kühlleitung C. L das gekühlte Kühlmittel mittels des Betriebs der Wasserpumpe 113, um die elektrischen Vorrichtungen 111 zu kühlen, und das Kühlmittel wird zum Wärmetauscher 130 geliefert, und das in den Wärmetauscher 130 einströmende Kühlmittel kühlt das Kältemittel durch den Wärmeaustausch.
Hierbei detektiert die Steuervorrichtung 180 die Kühlmitteltemperatur mittels des Temperatursensors, der in dem Wärmetauscher 130 angeordnet ist und steuert die Strömungsrate bzw. Durchflussrate der Wasserpumpe 113 oder die Strömungsrate bzw. die Drehzahl des Kühlgebläses gemäß der Temperatur der Abwärmequelle der elektrischen Vorrichtungen 111, der Kühlmitteltemperatur und des Kältemitteldrucks.
Die Klimatisierungsbaugruppe 150 betätigt das dritte Ventil 169, um die Kältemittelleitung R. L zu öffnen, so dass das Kältemittel mit niedriger Temperatur, das mittels des Kühlmittels mit niedriger Temperatur des Wärmetauschers 130 gekühlt worden ist, zum zweiten Expansionsventil 173 geliefert wird, das mit dem Verdampfer 157 des HVAC-Modul 151 verbunden ist.
Daher wird das Kältemittel mit niedriger Temperatur, das in das zweite Expansionsventil 173 einströmt, expandiert, um mittels der Kältemittelleitung R. L zum Verdampfer 157 geliefert zu werden.
Danach wird das Kältemittel durch den Wärmeaustausch mit der Außenluft im Verdampfer 157 verdampft, und das Kältemittel passiert den Akkumulator 163 und den Kompressor 161 mittels der Kältemittelleitung R. L, um auf eine hohe Temperatur und einen hohen Druck komprimiert zu werden.
Mittels des ersten Ventils 165 wird die Kältemittelleitung R. L, die mit dem inneren Kondensator 153 verbunden ist, geöffnet, so dass das komprimierte, gasförmige Kältemittel zum inneren Kondensator 153 geliefert wird.
Hierbei detektiert der Drucksensor 175, der an der Kältemittelleitung R. L zwischen dem Kompressor 161 und dem ersten Ventil 165 angeordnet ist, den Druck des Kältemittels, das vom Kompressor 161 abgegeben wird, um den Wert an die Steuervorrichtung 180 auszugeben.
Die Steuervorrichtung 180 verwendet den vom Drucksensor 175 gemessenen Wert, um den Kältemitteldruck zu detektieren, und steuert die Öffnungsrate des ersten Ventils 165 gemäß dem geforderten Zustand des Fahrzeugs.
Das Kühlmittel, das den inneren Kondensator 153 passiert, wird mittels des ersten Expansionsventils 171 expandiert, um über die Kältemittelleitung R. L, die mit dem Wärmetauscher 130 verbunden ist, durch Öffnen des zweiten Ventils 167 dem Wärmetauscher 130 zugeführt zu werden, und das Kältemittel zirkuliert in der Kältemittelleitung R. L unter Wiederholung der obigen Prozesse.
In diesem Fall steuert die Steuervorrichtung 180 die Öffnungsrate des ersten und des zweiten Expansionsventils 171 und 173, um die Expansionsrate des Kältemittels zu steuern.
Hierbei passiert die in das HVAC-Modul 151 einströmende Außenluft den Verdampfer 157, um mittels des Kühlmittels von niedriger Temperatur, das in den Verdampfer 157 strömt, gekühlt zu werden.
In diesem Fall öffnet das Öffnungs-/Schließmittel 159 denjenigen Teil, der mit dem inneren Kondensator 153 verbunden ist, so dass die gekühlte Außenluft den inneren Kondensator 153 passiert. Die einströmende Außenluft passiert den Verdampfer 157, um entfeuchtet zu werden und durch den inneren Kondensator 153 geheizt zu werden, und die entfeuchtete bzw. getrocknete Außenluft strömt in das Fahrzeug hinein, um den Innenraum davon zu entfeuchten.
In einem Wärmepumpensystem für ein Fahrzeug und dem Steuerverfahren davon gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist beschrieben worden, dass der PTC-Heizer 155 im Heizmodus mit der Außenluft betrieben wird als eine beispielhafte Ausführungsform, allerdings ist dies nicht einschränkend zu sehen, und der PTC-Heizer 155 kann gemäß einer von einem Benutzer festgelegten Heiztemperatur selektiv betrieben werden.
Dementsprechend wird in einem Wärmepumpensystem 100 für ein Fahrzeug und einem Steuerverfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Wärmetauscher angewandt, der ein Kühlmittel als ein Wärmeaustauschmedium verwendet, und eine Abwärmequelle von den elektrischen Vorrichtungen 111 wird verwendet, um Wärme mit dem Kältemittel auszutauschen, um die Heizleistung, die Heizeffizienz und die Entfeuchtungsleistung zu verbessern und die Eisakkumulation an dem äußeren Kondensator bei kaltem Wetter zu vermeiden.
Ferner wird im Heizmodus während eines Leerlaufzustands und in einem Fahrzustand bei sehr kaltem Wetter zusammen mit dem Betrieb des PTC-Heizers 155 das Gesamtsystem gleichzeitig in Betrieb gesetzt, um den Zuwachs von Leistungsaufnahme bzw. Energieverbrauch zu verhindern, so dass die Heizlast reduziert wird, um eine Fahrdistanz des Fahrtzeugs bei gleichbleibender Leistung zu erhöhen.
Ferner wird im Kühlmodus des Fahrzeugs das Kühlmittel mittels des Kältemittels mit der niedrigen Temperatur gekühlt, um zu einer Verbesserung der Kühlleistung in der Lage zu sein. Das erste, das zweite und das dritte Ventil 165, 167, 169 sind Dreiwege-Ventile, um häufiges Öffnen und Schließen zu reduzieren, so dass das Geräusch und die Vibrationen reduziert werden.
Ferner wird ein Kühlmittel als ein Wärmeaustauschmedium im Wärmetauscher 130 verwendet, um die Struktur der jeweiligen Komponenten zu vereinfachen, und gleichzeitig wird nur ein Kühler 115 verwendet, um die elektrischen Vorrichtungen zu kühlen, so dass das Gesamtsystem vereinfacht wird und die Effizienz des Kühlers 115 verbessert wird.
Bezugnehmend auf 4 weist das Wärmepumpensteuerverfahren ein viertes Ventil 190 auf, das konfiguriert ist, um das Kühlmittel an dem Kühler 115 vorbeizuleiten (Bypass) gemäß einem Heizmodus und einem Entfeuchtungsmodus.
In einem Wärmepumpensystem für ein Fahrzeug und dem Steuerverfahren davon gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind das erste, das zweite und das dritte Ventil als eine beispielhafte Ausführungsform vorgesehen, ohne darauf einschränkend zu sein, und ein separates Zweiwege-Ventil kann an der Kühlleitung und der Kältemittelleitung angewandt werden, um die Durchflussrate zu steuern oder das Betriebsfluid, das Kühlmittel oder das Kältemittel vorbeizuleiten (Bypass).
Zwecks Erläuterung und genauer Definition der angehängten Ansprüche werden Begriffe wie zum Beispiel „obere”, „untere”, „innere” und „äußere” zur Beschreibung der Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen mit Bezug auf die Positionen verwendet, wie sie in den Figuren dargestellt sind.
Die vorhergehenden Beschreibungen der spezifischen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen dem Zweck der Darstellung und Beschreibung. Sie sollen nicht als erschöpfend oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form einschränkend verstanden werden. Es sind offensichtlich viele Modifikationen und Variationen möglich angesichts der obigen Lehre. Die beispielhaften Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um bestimmte Grundsätze der Erfindung und deren praktische Anwendung zu erläutern und damit dem Fachmann die Herstellung und den Gebrauch der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowie von deren zahlreichen Alternativen und Modifikationen zu ermöglichen. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzumfang der Erfindung durch die angeführten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 10-2011-0059768 [0001]

Claims

Ein Wärmepumpensystem (100), aufweisend: eine Kühlbaugruppe (110), die an einem Fahrzeug angeordnet ist, um elektrische Vorrichtungen (111) durch eine Kühlleitung (C. L) mit einem zirkulierenden Kühlmittel zu versorgen, wobei die Kühlbaugruppe (110) aufweist: einen Kühler (115), der an einer vorderen Seite des Fahrzeugs angeordnet ist; der eine Wasserpumpe (113) verwendet, um das Kühlmittel durch die Kühlleitung (C. L) zu zirkulieren; und der das gelieferte Kühlmittel mittels eines Wärmeaustauschs mit Außenluft kühlt, und ein Kühlgebläse (117), das Wind durch den Kühler (115) bläst; eine Klimatisierungsbaugruppe (150), die mit einer Kältemittelleitung (R. L), die mit der Kühlbaugruppe (110) verbunden ist, verbunden ist, um Heizen und Kühlen zu steuern; und einen Wärmetauscher (130), der mit der Kühlleitung (C. L) verbunden ist, so dass das Kühlmittel darin zirkuliert; der wahlweise eine Abwärme, die von den elektrischen Vorrichtungen (111) erzeugt wird, gemäß Modi verwendet, um die Temperatur des Kühlmittels zu variieren; und der mit der Kältemittelleitung (R. L) der Klimatisierungsbaugruppe (150) verbunden ist, so dass ein einströmendes Kältemittel Wärme mit dem Kühlmittel austauscht.
Das Wärmepumpensystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Klimatisierungsbaugruppe (150) aufweist: ein HVAC(Heizen, Lüften und Klimatisieren)-Modul, das mit einem Verdampfer (157) und einem Öffnungs-/Schließmittel (159) darin ausgestattet ist, wobei das Öffnungs-/Schließmittel (159) wahlweise geschlossen ist, so dass die Außenluft, die den Verdampfer (157) passiert, zu einem inneren Kondensator (153) und einem PTC(Positiver-Temperaturkoeffizient)-Heizer (155) geliefert wird gemäß Heiz-, Kühl-, Entfeuchtungsmodi; einen Kompressor (161), der über die Kältemittelleitung (R. L) mit dem Verdampfer (157) verbunden ist und ein gasförmiges Kältemittel komprimiert; einen Akkumulator (163), der an der Kältemittelleitung (R. L) zwischen dem Kompressor (161) und dem Verdampfer (157) angeordnet ist und den Kompressor (161) mit dem gasförmigen Kältemittel versorgt; einen äußeren Kondensator (164), der in einem Verbrennungsmotorraum des Fahrzeugs angeordnet ist; der mit der Kältemittelleitung (R. L) verbunden ist; und der das Kältemittel kondensieren lässt; ein erstes Ventil (165), das gemäß einem Modus des Fahrzeugs wahlweise den inneren Kondensator (153) oder den äußeren Kondensator (164) mit dem Kältemittel versorgt, der vom Kompressor (161) abgegeben wird; ein erstes Expansionsventil (171), das das den inneren Kondensator (153) passierende Kältemittel erhält, um das Kältemittel zu expandieren; ein zweites Ventil (167), das wahlweise den äußeren Kondensator (164) oder den Wärmetauscher (130) mit dem vom ersten Expansionsventil (171) erhaltenen, expandierten Kältemittel versorgt; ein drittes Ventil (169), das wahlweise den Verdampfer (157) oder den Akkumulator (163) mit dem Kältemittel, das den äußeren Kondensator (164) oder den Wärmetauscher (130) passiert, versorgt; und ein zweites Expansionsventil (173), das den Verdampfer (157) mit dem dritten Ventil (169) verbindet und das Kältemittel, das durch das dritte Ventil (169) geliefert wird, expandiert.
Das Wärmepumpensystem (100) mach Anspruch 2, wobei ein Drucksensor (175) an der Kältemittelleitung (R. L) angeordnet ist, die den Kompressor (161) mit dem ersten Ventil (165) verbindet.
Das Wärmepumpensystem (100) nach Anspruch 2, wobei das erste, das zweite und das dritte Ventil (165, 167, 169) Dreiwege-Ventile sind.
Das Wärmepumpensystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Kühlbaugruppe (110) und die Klimatisierungsbaugruppe (150) mit einer Steuervorrichtung (180) verbunden sind, um mittels eines Steuersignals der Steuervorrichtung (180) betrieben zu werden.
Ein Verfahren zur Steuerung eines Wärmepumpensystems für ein Fahrzeug, das angewandt wird auf ein Wärmepumpensystem (100), das aufweist: eine Kühlbaugruppe (110), die mit einer Steuervorrichtung (180) verbunden ist und aufweist: einen Kühler (115), eine Wasserpumpe (113) und elektrische Vorrichtungen (111), die jeweils mittels einer Kühlleitung (C. L.) verbunden sind; eine Klimatisierungsbaugruppe (150), die mittels einer Kältemittelleitung (R. L) verbunden ist und aufweist: ein HVAC-Modul (151) mit einer Mehrzahl von Ventilen, ein Expansionsventil, einen Kompressor (161), einen Akkumulator (163), einen Verdampfer (157), einen äußeren Kondensator (164), einen inneren Kondensator (153), einen PTC-Heizer (155) und ein Öffnungs-/Schließmittel (159); und einen Wärmetauscher (130), der mit der Kühlleitung (C. L) und der Kältemittelleitung (R. L) verbunden ist und verwendet wird, um ein Heiz-, ein Kühl- und ein Entfeuchtungsmodus gemäß einer Auswahl eines Benutzers zu betreiben, wobei während des Heizmodus die Schritte ausgeführt werden: Anheben der Temperatur eines Kühlmittels, das zu dem Wärmetauscher (130) geliefert wird, mittels der Kühlbaugruppe (110) durch eine Abwärme, die von den elektrischen Vorrichtungen (111) erzeugt wird, und Anheben der Temperatur des Kältemittels durch einen Wärmeaustausch mit dem Kältemittel, das zu dem Wärmetauscher (130) über die Kältemittelleitung (R. L) geliefert wird; Passieren des Kältemittels, das aufgrund des Wärmetauschers (130) geheizt wird, mittels der Klimatisierungsbaugruppe (150) über die Kältemittelleitung (R. L) durch den Akkumulator (163) und den Kompressor (161) hindurch, indem ein drittes Ventil (169) geöffnet wird, um das Kältemittel zu einem inneren Kondensator (153) des HVAC-Moduls (151) mittels eines Betriebs eines ersten Ventils (165) zu liefern; Liefern des Kältemittels, das den inneren Kondensator (153) passiert, zum Wärmetauscher (130) mittels eines Betriebs eines zweiten Ventils (167) in einem durch ein erstes Expansionsventil (171) expandierten Zustand; und Öffnen des Öffnungs-/Schließmittels (159), so dass eine Außenluft, die den Verdampfer (157) des HVAC-Moduls (151) passiert, den inneren Kondensator (153) passiert, und die eingeströmte Außenluft den inneren Kondensator (153) passiert, um einen Innenraum des Fahrzeugs in Verbindung mit dem Betrieb eines PTC-Heizers (155) zu heizen.
Das Verfahren zur Steuerung eines Wärmepumpensystems nach Anspruch 6, wobei im Kühlmodus die Schritte ausgeführt werden: Betreiben der Wasserpumpe (113) mittels der Kühlbaugruppe (110), um ein Kühlmittel zum Wärmetauscher (130) zu liefern und die elektrischen Vorrichtungen (111) zu kühlen in einem Zustand, in dem der Kühler (115) das einströmende Kühlmittel mittels eines Betriebs eines Kühlgebläses (117) kühlt und der Kühler (115) das Kältemittel mittels eines Wärmeaustauschs mit dem Kühlmittel mit niedriger Temperatur gemäß einem vorbestimmten Zustand kühlt; Betreiben des dritten Ventils (169) mittels der Klimatisierungsbaugruppe (150), um den Verdampfer (157) mit dem expandierten Kältemittel zu versorgen, so dass das Kältemittel von niedriger Temperatur, das beim Passieren des äußeren Kondensators (164) gekühlt wird, zum zweiten Expansionsventil (173), das mit dem Verdampfer (157) des HVAC-Moduls (151) verbunden ist, geliefert wird, wobei das Kältemittel, das mittels eines Wärmeaustauschs mit Außenluft im Verdampfer (157) verdampft, den Akkumulator (163) und den Kompressor (161) passiert, um komprimiert zu werden; Betreiben des ersten Ventils (165), um die Kältemittelleitung (R. L) zu öffnen, die mit dem äußeren Kondensator (164) verbunden ist, so dass das komprimierte Kältemittel zum äußeren Kondensator (164) geliefert wird; und Schließen des Öffnungs-/Schließmittels (159), so dass die Außenluft den Verdampfer (157) passiert, um mittels des Kältemittels, das zum Verdampfer (157) geliefert wird, gekühlt zu werden, und so dass die Außenluft direkt zu einem Innenraum eines Fahrzeugs geliefert wird und die gekühlte Außenluft nicht zum inneren Kondensator (153) geliefert wird.
Das Verfahren zur Steuerung eines Wärmepumpensystems nach Anspruch 6, wobei im Entfeuchtungsmodus die Schritte ausgeführt werden: Kühlen des Kühlmittels, das zum Kühler (115) geliefert wird, mittels des Betriebs des Kühlgebläses (117) der Kühlbaugruppe (110); Kühlen der elektrischen Vorrichtungen (111) mittels des Betriebs der Wasserpumpe (113); Liefern des Kühlmittels zum Wärmetauscher (130); und Kühlen des Kältemittels mittels eines Wärmeaustauschs mit dem Kühlmittel, das zum Wärmetauscher (130) geliefert wird; Öffnen des dritten Ventils (169) mittels der Klimatisierungsbaugruppe (150), so dass das Kältemittel, das während des Passierens des Wärmetauschers (130) gekühlt wird, zum zweiten Expansionsventil (173) geliefert wird, das mit dem Verdampfer (157) des HAVC-Moduls (151) verbunden ist, um das expandierte Kältemittel zum Verdampfer (157) zu liefern, wobei das Kältemittel, das mittels eines Wärmeaustauschs mit einer Außenluft im Verdampfer (157) verdampft, den Akkumulator (163) und den Kompressor (161) passiert, um komprimiert zu werden; Betreiben des ersten Ventils (165), um die Kä1temittelleitung (R. L) zu öffnen, die mit dem inneren Kondensator (153) verbunden ist, so dass ein komprimiertes Kältemittel zum inneren Kondensator (153) geliefert wird; Betreiben des zweiten Ventils (167), um das Kältemittel, das den inneren Kondensator (153) passiert, zum Wärmetauscher (130) in einem expandierten Zustand durch das erste Expansionsventil (171) zu liefern; und Öffnen des Öffnungs-/Schließmittels (159), so dass eine Außenluft, die den Verdampfer (157) des HAVC-Moduls (151) passiert, den inneren Kondensator (153) passiert und die einströmende Außenluft den inneren Kondensator (153) und den PTC-Heizer (155) passiert, um einen Innenraum des Fahrzeugs zu entfeuchten.
Das Verfahren zur Steuerung eines Wärmepumpensystems nach Anspruch 8, wobei im Entfeuchtungsmodus die Steuervorrichtung (180) eine Öffnungsrate des ersten und des zweiten Expansionsventils (171, 173) steuert, um eine Expansionsrate des Kältemittels zu steuern.
Das Verfahren zur Steuerung eines Wärmepumpensystems nach Anspruch 6, wobei im Heizmodus, im Kühlmodus und im Entfeuchtungsmodus die Steuervorrichtung (180) eine Betriebsleistung des Kühlgebläses (117) und eine Strömungsrate der Wasserpumpe (113) steuert gemäß der Temperatur der Abwärme, die von den elektrischen Vorrichtungen (111) erzeugt wird, und gemäß der Temperatur des Kühlmittels und des Kältemittels.
Das Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein viertes Ventil (190), das konfiguriert ist, um das Kühlmittel gemäß einem Heizmodus und einem Entfeuchtungsmodus am Kühler (115) vorbeizuführen.