DE102012210221B4 - Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Kühleinrichtung für Fahrzeuge - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Kühleinrichtung für Fahrzeuge, wobei die Kühleinrichtung umfasst:- einen Kältemittelverdichter (1),- einen in einer Strömungsrichtung eines Kältemittels nach dem Kältemittelverdichter (1) angeordneten Kondensator (2),- einen in der Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kondensator (2) angeordneten ersten Verdampfer (4) zur Kühlung von einem Fahrgastraum zuzuführender Luft,- einen parallel zu dem ersten Verdampfer (4) angeordneten zweiten Verdampfer (7) zum Kühlen eines elektrischen Speichers,- ein zwischen dem Kondensator (2) und dem ersten Verdampfer (4) angeordnetes, ansteuerbares erstes elektrisches Ventil (8) zum Beeinflussen der Verdampferleistung des ersten Verdampfers (4),- ein zwischen dem Kondensator (2) und dem zweiten Verdampfer (7) angeordnetes, ansteuerbares zweites elektrisches Ventil (9) zum Beeinflussen der Verdampferleistung des zweiten Verdampfers (7), und- eine Steuereinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuereinheit (10):- der Kältemittelverdichter (1) in Abhängigkeit eines Vergleichs einer Kühlbedarf-Anforderung (A_FGR) für den Fahrgastraum mit einer Kühlbedarf-Anforderung (A_HVS) für den elektrischen Speicher auf Basis einer höheren Kühlbedarf-Anforderung angesteuert oder geregelt wird, wobei:(a) bei einer höheren Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (A_HVS) als einer Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) der Kältemittelverdichter (1) angesteuert wird,(b) bei einer höheren Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) als einer Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (A_HVS) der Kältemittelverdichter (1) auf Basis der Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) geregelt wird,(c) das erste elektrische Ventil (8) und/oder das zweite elektrische Ventil (9) in Abhängigkeit der Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) und der Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (A_HVS) angesteuert werden,(d) bei einer alleinigen Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (A_HVS) der Kältemittelverdichter (1) mit einer definierten Drehzahl (DZ1) angesteuert wird und das die Kühlleistung des ersten Verdampfers (4) beeinflussende erste elektrische Ventil (8) geschlossen wird,(e) bei einer höheren Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (A_HVS) als einer Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) der Kältemittelverdichter (1) zum Erreichen der definierten Drehzahl (DZ1) angesteuert wird und das die Kühlleistung des ersten Verdampfers (4) beeinflussende erste elektrische Ventil (8) derart angesteuert wird, dass eine gegenüber bei geöffnetem ersten Ventil (8) reduzierte Kühlleistung erreicht wird, insbesondere derart, dass die Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) erreicht wird, und(f) bei einer höheren Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) als einer Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (A_HVS) der Kältemittelverdichter (1) auf Basis der Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) geregelt wird und dass das die Kühlleistung des zweiten Verdampfers (7) beeinflussende zweite elektrische Ventil (9) derart angesteuert wird, dass eine gegenüber bei geöffnetem zweiten Ventil (9) reduzierte Kühlleistung erreicht wird, insbesondere derart dass die Kühlbedarf- Anforderung für den Speicher (A_HVS) erreicht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer Kühleinrichtung für Fahrzeuge.
  • Zunächst wird auf die DE 103 50 803 A1 , die DE 10 2007 061 577 A1 , die DE 10 2006 053 674 A1 , die US 6 126 080 A , die US 2004/0089004 A1 und die EP 1 314 594 A1 verwiesen.
  • Ein Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage weist bekanntlich in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen einen Kältemittelverdichter, einen Kondensator, mindestens ein Expansionsorgan und einen oder mehrere Verdampfer auf. Fahrzeugklimaanlagen mancher Luxusfahrzeuge sind mit zwei Verdampfern ausgestattet, die parallel geschaltet sind, wobei ein Verdampfer dem Frontbereich und der zweite Verdampfer dem Fondbereich des Fahrgastraums zugeordnet ist. Derartige Fahrzeugklimaanlagen sind in der Regel derart ausgestaltet, dass der Verdampfer oder der Kühlkreislauf, der für den Frontbereich zuständig ist, höher priorisiert ist, um die entsprechende Kühlbedarf-Anforderung für den Frontbereich umsetzen zu können. Ein Beispiel für eine derartige Klimaanlage ist aus der DE 10 2006 053 674 A1 bekannt.
  • „Zwei-Verdampfersysteme“ sind auch von Fahrzeugen bekannt, bei denen der eine Verdampfer zur Kühlung des Fahrgastraums und der andere Verdampfer zur Kühlung elektrischer bzw. elektronischer Komponenten, wie z.B. elektrischer Steuergeräte, elektrische Energiespeicher etc. vorgesehen ist.
  • Auch hier wird die Drehzahl des Verdichters anhand der Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum geregelt, und zwar unabhängig von der Kühlanforderung für den elektrischen Speicher.
  • Als Beispiel für ein Zwei-Verdampfersystems zur Kühlung des Fahrgastraums und von elektrischen Speichern ist die DE 10 2009 033 884 A1 zu nennen. Diese Kühleinrichtung umfasst einen Kältemittelverdichter, einen in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittelverdichter angeordneten Kondensator, einen nach dem Kondensator angeordneten ersten Verdampfer zur Kühlung der elektrischen Speicher und einen parallel zu dem ersten Verdampfer angeordneten zweiten Verdampfer zur Kühlung des Fahrgastraums, wobei die Verdampferleistung des zweiten Verdampfers mittels eines entsprechenden Ventils einstellbar ist.
  • Insbesondere bei mit Speichern zur Speicherung von elektrischer Energie ausgestatteten Fahrzeugen ist eine optimale Kühlung dieser Speicher zwingend erforderlich, da das thermische Management der elektrischen Speicher für die Lebensdauer und die Sicherheit im Betrieb ausschlaggebend ist. Dazu müssen die Li-Ion-Zellen in einem idealen Betriebstemperaturbereich zwischen 20°C und 40°C bleiben und alle Zellen homogen in einem Bereich von 5K betrieben werden.
  • Ist nun der Kühlbedarf für den Fahrgastraum des Fahrzeugs geringer als der Kühlbedarf für den elektrischen Speicher, oder besteht unter Umständen gar kein Kühlbedarf für den Fahrgastraum (z. B. im Winter), fehlt die Kühlleistung oder der erforderliche Kältemittel-Massenstrom für den elektrischen Speicher. Infolgedessen erhöht sich die Temperatur der elektrischen Speicher und auch die Temperaturspreizung im elektrischen Speicher wird negativ beeinflusst.
  • Aufgabe der Erfindung ist nun, ein Verfahren zur Steuerung einer entsprechenden Kühleinrichtung für Fahrzeuge anzugeben, welches stets ein optimales Kühlmanagement des elektrischen Speichers ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
  • Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Kühleinrichtung für Fahrzeuge mit einem Kältemittelverdichter, einem in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittelverdichter angeordneten Kondensator, einem nach dem Kondensator angeordneten ersten Verdampfer zur Kühlung von einer dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft, und einem parallel zu dem ersten Verdampfer angeordneten zweiten Verdampfer zum Kühlen eines elektrischen Speichers. Weiter ist eine Steuereinheit vorgesehen, die zumindest den Kältemittelverdichter ansteuert oder regelt.
  • Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht nun darin, dass der Kältemittelverdichter in Abhängigkeit von einer Kühlbedarfs-Anforderung für den Fahrgastraum und/oder einer Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher unterschiedlich angesteuert wird. Erfindungsgemäß wird der Kältemittelverdichter demnach auf Basis der höheren Kühlbedarf-Anforderung angesteuert oder geregelt, so dass stets ein ausreichender Kältefluss für beide Verdampfer zur Verfügung steht.
  • Um sicherstellen zu können, dass bspw. aufgrund einer hohen Kühlbedarf-Anforderung des einen Verdampfers im Verhältnis zum anderen Verdampfer trotzdem jeder Anforderung gerecht werden, also jede Anforderung umgesetzt werden kann, umfasst die erfindungsgemäße Kühleinrichtung neben den bereits oben genannten Komponenten zusätzlich ein zwischen dem Kondensator und dem zweiten Verdampfer ansteuerbares erstes elektrisches Ventil zum Beeinflussen der Verdampferleistung des ersten Verdampfers, sowie ein zwischen dem Kondensator und dem zweiten Verdampfer ansteuerbares zweites elektrisches Ventil zum Beeinflussen der Verdampferleistung des zweiten Verdampfers. Vorteilhafterweise sind die beiden elektrischen Ventile als Magnetventile ausgestaltet.
  • Umfasst nun die Kühleinheit zumindest eines des beiden Ventile (ein zwischen dem Kondensator und dem ersten Verdampfer ansteuerbares erstes elektrisches Ventil zum Beeinflussen der Verdampferleistung des ersten Verdampfers und/oder ein zwischen dem Kondensator und dem zweiten Verdampfer ansteuerbares zweites elektrisches Ventil zum Beeinflussen der Verdampferleistung des zweiten Verdampfers) so kann in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der Steuereinheit das erste elektrische Ventil und/oder das zweite elektrische Ventil in Abhängigkeit von der Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum und/oder der Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher derart angesteuert werden, so dass trotz des ggf. nicht auf die entsprechende Anforderung angesteuerten oder geregelten Kältemittelverdichters eine entsprechend der jeweiligen Anforderung gewünschten Kälteleistung des Verdampfers einstellbar ist.
  • Im Detail ist das erfindungsgemäße Verfahren nun derart weitergebildet, dass bspw. bei einer alleinigen Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (d. h. es besteht keine Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum) der Kältemittelverdichter mit einer für die Kühlung des Energiespeichers notwenigen, definierten Drehzahl angesteuert wird und/oder dass das die Kühlleistung des ersten Verdampfers beeinflussende erste elektrische Ventil geschlossen wird. Somit kann sichergestellt werden, dass der elektrische Speicher ausreichend gekühlt, gleichzeitig aber der Fahrgastraum nicht ungewollt gekühlt wird.
  • Liegt eine Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum vor, ist diese jedoch kleiner als die Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher, wird der Kältemittelverdichter analog zu oben mit einer für die Kühlung des Energiespeichers notwenigen, definierten Drehzahl angesteuert. Gleichzeitig, wird jedoch das die Kühlleistung des ersten Verdampfers beeinflussende erste elektrische Ventil nicht vollständig geschlossen, sondern derart angesteuert, dass eine gegenüber bei geöffnetem ersten Ventil reduzierte Kühlleistung erreicht wird, insbesondere derart, dass die Kühlbedarf-Anforderung für Fahrgastraum erreicht wird.
  • Im dritten Anwendungsfall, bei dem die Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum höher ist als die Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher, wird der Kältemittelverdichter (analog zum Stand der Technik) auf Basis der Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum geregelt und/oder das die Kühlleistung des zweiten Verdampfers beeinflussende zweite elektrische Ventil derart angesteuert, dass eine gegenüber bei geöffnetem zweiten Ventil reduzierte Kühlleistung erreicht wird, insbesondere derart dass die Kühlbedarf-Anforderung für den Speicher erreicht wird.
  • Durch eine derartige Ausgestaltung der Steuer oder Regelstrategie für die - zwei Verdampfer umfassende - Kühleinrichtung kann eine genau auf die jeweiligen Bedürfnisse abgestimmte Kühlung oder Kühlleistung des jeweiligen Verdampfers sichergestellt werden.
  • Untersuchungen haben bereits ergeben, dass durch eine derartige Ausgestaltung der Ansteuerung der Kühleinheit und die entsprechende Ausgestaltung der Kühleinheit eine Verbesserung des höchsten Temperaturniveaus beim elektrischen Speicher um 10K - 15K erreicht werden kann. Gleichzeitig reduziert sich die Temperaturspreizung um bis zu 15K.
  • Das beigefügte Ausführungsbeispiel dient der näheren Erläuterung der Erfindung. Dabei zeigt
    • 1 in schematischer Darstellung einer Kühleinrichtung, und
    • 2 ein vereinfacht dargestelltes Ablaufdiagramm zur Darstellung des Verfahrens.
  • Die 1 zeigt eine Kühleinrichtung, bei der in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen nach einem Verdichter 1 ein Kondensator 2 angeordnet ist, der Wärmeleistung an die Umgebung abgibt. Vom Kondensator 2 kommendes verdichtetes Kältemittel wird über ein erstes Expansionsorgan 3 entspannt und strömt über einen ersten Verdampfer 4, der zur Kühlung der einem Fahrgastraum zuzuführender Luft dient, zurück zu einer Saugseite 5 des Kältemittelverdichters 1. Parallel zu dem ersten Expansionsorgan 3 und dem ersten Verdampfer 4 ist ein zweites Expansionsorgan 6 und ein zweiter Verdampfer 7 geschaltet, wobei der zweite Verdampfer 7 zur Kühlung eines Speichers elektrischer Energie vorgesehen ist.
  • Zusätzlich ist zwischen dem Kondensator 2 und dem ersten Verdampfer 4 oder dem vor dem ersten Verdampfer 4 angeordnetem Expansionsorgan 3 ein als Magnetventil ausgestaltetes ansteuerbares erstes elektrisches Ventil 8 zum Beeinflussen der Verdampferleistung des ersten Verdampfers 4 vorgesehen. Ebenso ist zwischen dem Kondensator 2 und dem zweiten Verdampfer 7 oder dem vor dem zweiten Verdampfer 7 angeordnetem Expansionsorgan 6 ein als Magnetventil ausgestaltetes ansteuerbares zweites elektrisches Ventil 9 zum Beeinflussen der Verdampferleistung des zweiten Verdampfers 7 vorgesehen. Schließlich zeigt die 1 noch eine Steuereinheit 12, die zum Ansteuern des Verdichters 1, sowie der beiden Magnetventile 8 und 9 dient.
  • Anhand des Ablaufdiagramms der 2 wird nun eine möglich Ausgestaltung eines Ablaufs zur Steuerung und/Regelung einer Kühleinheit, wie sie in 1 dargestellt ist, erläutert.
  • Der Ablauf beginnt mit der Abfrage, welche der beiden Kühlbedarfs-Anforderungen größer ist, d. h. es überprüft, ob die Kühlbedarfs-Anforderung A_HVS des elektrischen Speichers größer ist als die Kühlbedarfs- Anforderung A_FGR des Fahrgastraums. Ist dies nicht der Fall (=n-Zweig), wird im nächsten Schritt eine Regelung des (Kältemittel-)Verdichters KMV auf Basis der Kühlbedarfsanforderung A_FGR des Fahrgastraums vorgenommen, d. h. die Drehzahl des Verdichters wird nach dem Fahrgastraum-Kühlbedarf A_FGR geregelt. Gleichzeitig wird die Kühlbedarf-Anforderung A_HVS des elektrischen Speichers durch eine entsprechende Ansteuerung des zweiten Magnetventils HVS_V, durch das die Kühlleistung des zweiten Verdichters beeinflusst bzw. reduziert werden kann, erfüllt. Dazu wird das zweite Magnetventil HVS_V in Abhängigkeit von der Anforderung A_HVS entsprechend getaktet.
  • Wird jedoch im ersten Schritt erkannt, dass die Kühlbedarfs-Anforderung A-HVS des elektrischen Speichers größer ist als die Kühlbedarfs- Anforderung A_FGR des Fahrgastraums (= j-Zweig), wird im folgenden Schritt noch abgefragt, ob überhaupt eine Kühlbedarfs-Anforderung für den Fahrzeuginnenraum vorliegt, also ob A_FGR = 0 ist.
  • Besteht kein Kühlbedarf für den Fahrgastinnenraum (= j-Zweig), wird der Verdichter KMV zur Speicherkühlung auf eine definierte Drehzahl DZ1 gesteuert. Gleichzeitig wird das erste Magnetventil FGR_V, das sich im Kühlkreislauf für den Fahrgastraum befindet und zur Kühlleistungseinstellung des ersten Verdampfers dient, schlossen, so dass keine Kühlung des Fahrgastraums erfolgt.
  • Besteht jedoch Kühlbedarf für den Fahrgastraum (n-Zweig), ist dieser Kühlbedarf A_FGR jedoch geringer als die Kühlbedarfs-Anforderung A_HVS für den elektrischen Speicher, so wird der Verdichter KMV zur Speicherkühlung identisch zu oben ebenfalls mit der definierte Drehzahl DZ1 angesteuert. Allerdings wird das erste Magnetventil FGR_V, das sich im Kühlkreislauf für den Fahrgastraum befindet und zur Kühlleistungseinstellung des ersten Verdampfers dient, nicht geschlossen. Vielmehr wird die Kühlbedarf-Anforderung A_FGR des Fahrgastraums durch eine entsprechende Ansteuerung des ersten Magnetventils FGR_V, durch das die Kühlleistung des ersten Verdichters beeinflusst werden kann, erfüllt, indem das erste Magnetventil FGR_V in Abhängigkeit von der Anforderung entsprechend getaktet wird.

Claims (1)

  1. Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Kühleinrichtung für Fahrzeuge, wobei die Kühleinrichtung umfasst: - einen Kältemittelverdichter (1), - einen in einer Strömungsrichtung eines Kältemittels nach dem Kältemittelverdichter (1) angeordneten Kondensator (2), - einen in der Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kondensator (2) angeordneten ersten Verdampfer (4) zur Kühlung von einem Fahrgastraum zuzuführender Luft, - einen parallel zu dem ersten Verdampfer (4) angeordneten zweiten Verdampfer (7) zum Kühlen eines elektrischen Speichers, - ein zwischen dem Kondensator (2) und dem ersten Verdampfer (4) angeordnetes, ansteuerbares erstes elektrisches Ventil (8) zum Beeinflussen der Verdampferleistung des ersten Verdampfers (4), - ein zwischen dem Kondensator (2) und dem zweiten Verdampfer (7) angeordnetes, ansteuerbares zweites elektrisches Ventil (9) zum Beeinflussen der Verdampferleistung des zweiten Verdampfers (7), und - eine Steuereinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuereinheit (10): - der Kältemittelverdichter (1) in Abhängigkeit eines Vergleichs einer Kühlbedarf-Anforderung (A_FGR) für den Fahrgastraum mit einer Kühlbedarf-Anforderung (A_HVS) für den elektrischen Speicher auf Basis einer höheren Kühlbedarf-Anforderung angesteuert oder geregelt wird, wobei: (a) bei einer höheren Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (A_HVS) als einer Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) der Kältemittelverdichter (1) angesteuert wird, (b) bei einer höheren Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) als einer Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (A_HVS) der Kältemittelverdichter (1) auf Basis der Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) geregelt wird, (c) das erste elektrische Ventil (8) und/oder das zweite elektrische Ventil (9) in Abhängigkeit der Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) und der Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (A_HVS) angesteuert werden, (d) bei einer alleinigen Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (A_HVS) der Kältemittelverdichter (1) mit einer definierten Drehzahl (DZ1) angesteuert wird und das die Kühlleistung des ersten Verdampfers (4) beeinflussende erste elektrische Ventil (8) geschlossen wird, (e) bei einer höheren Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (A_HVS) als einer Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) der Kältemittelverdichter (1) zum Erreichen der definierten Drehzahl (DZ1) angesteuert wird und das die Kühlleistung des ersten Verdampfers (4) beeinflussende erste elektrische Ventil (8) derart angesteuert wird, dass eine gegenüber bei geöffnetem ersten Ventil (8) reduzierte Kühlleistung erreicht wird, insbesondere derart, dass die Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) erreicht wird, und (f) bei einer höheren Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) als einer Kühlbedarf-Anforderung für den elektrischen Speicher (A_HVS) der Kältemittelverdichter (1) auf Basis der Kühlbedarf-Anforderung für den Fahrgastraum (A_FGR) geregelt wird und dass das die Kühlleistung des zweiten Verdampfers (7) beeinflussende zweite elektrische Ventil (9) derart angesteuert wird, dass eine gegenüber bei geöffnetem zweiten Ventil (9) reduzierte Kühlleistung erreicht wird, insbesondere derart dass die Kühlbedarf- Anforderung für den Speicher (A_HVS) erreicht wird.
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