DE102013209072A1

DE102013209072A1 - Verfahren zur Steuerung einer Heiz-Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013209072A1
Application number: DE102013209072.2A
Authority: DE
Inventors: Oliver Horn
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-11-20
Also published as: WO2014183999A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Heiz-Klimaanlage mit einem Wärmepumpensystem in einem Kraftfahrzeug während eines Heizbetriebs mit gleichzeitigem Kühlbetrieb der Heiz-Klimaanlage, wobei der Umluftanteil und/oder Frischluftanteil in Abhängigkeit vorliegender Parameterwerte eingestellt wird. Erfindungsgemäß wird im Heizbetrieb mit gleichzeitigem Kühlbetrieb der Heiz-Klimaanlage ein mit der erforderlichen Wärmeaufnahme am Verdampfer korrelierender Sollwert ermittelt und zum Erreichen des mit der erforderlichen Wärmeaufnahme korrelierenden Sollwertes der Frischluft- und/oder Umluftanteil durch eine Ansteuerung einer Frischluftklappe und/oder einer Umluftklappe der Heiz-Klimaanlage eingestellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Heiz-Klimaanlage mit einem Wärmepumpensystem in einem Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Grundsätzlich ist bereits bekannt, dass bei Heiz-Klimaanlagen mit einem Wärmepumpensystem im Heizbetrieb mit einer geeigneten Kältekreislaufverschaltung Wärme am Verdampfer im Klimagerät und am Umgebungswärmetauscher aufgenommen und zum Heizen verwendet wird. Ein derartige Heizklimaanlage mit einem Wärmepumpensystem ist bspw. aus der DE 102 53 357 B4 bekannt.
Weiter ist es bei den meisten Fahrzeug-Heiz-Klimaanlagen üblich, im Kühlbetrieb die Heiz-Klimaanlage im Umluftbetrieb (also mit 100% Umluft) oder Teilfrischluftbetrieb mit einem vorgegebenen Frischluftanteil von ca. 20%–30% zu betreiben, so dass die angesaugte und zu temperierende Luft, die dann in den Fahrzeuginnenraum geblasen wird, vollständig oder zum großen Teil aus dem Innenraum des Fahrzeugs angesaugt wird. Dadurch kann eine wesentlich effizientere Abkühlleistung erzielt werden, da nicht immer die meist wesentlich höher temperierte und häufig feuchtere Frischluft abgekühlt und entfeuchtet werden muss, sondern auf die bereits vortemperierte, abgekühlte Luft aus dem Fahrzeuginnenraum zurückgegriffen wird. Somit kann der Energieverbrauch während eines Kühlbetriebs mit Umluft wesentlich geringer gehalten werden, als bei reinem Frischluftbetrieb.
Zwar wäre im Heizbetrieb der Heiz-Klimaanlage ein Umluftbetrieb bzw. Teilfrischluftbetrieb mit geringem Frischluftanteil energetisch gesehen ebenfalls sinnvoll, allerdings ist das aufgrund einer größeren Gefahr hinsichtlich der Entstehung von Scheibenbeschlag im höchsten Maße kritisch. Der Scheibenbeschlag im Heizbetrieb entsteht bei vorrangigem Umluftbetrieb deshalb, weil im Heizbetrieb die Scheiben in der Regel kalt sind und es dann zu einer Kondensation von Luftfeuchte an den Scheiben kommt, sobald die Luftfeuchte im Fahrzeug so hoch ist, dass der Taupunkt der Luft im Bereich der Scheibentemperatur liegt.
Aus der noch unveröffentlichten DE 10 2013 203 049 A1 ist bereits ein Verfahren zur Steuerung einer Heiz-Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei im Heizbetrieb in Abhängigkeit eines ermittelten Beschlagmaßnahmenwertes der Frischluft- und Umluftanteil derart eingestellt wird, dass einerseits ein effizientes Heizen erfolgt, und gleichzeitig ein Beschlag der Scheiben im Heizbetrieb vermieden wird.
Aufgabe der Erfindung ist nun, ein hinsichtlich der Dosierung der Innenluft verbessertes Verfahren zur Steuerung einer Heiz-Klimaanlage mit einem Wärmepumpensystem anzugeben, bei dem unter Berücksichtigung vorliegender Rahmenbedingungen ein äußerst effizienter Heizbetrieb erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Grundgedanke der Erfindung ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung einer Heiz-Klimaanlage mit einem Wärmepumpensystem in einem Kraftfahrzeug während eines Heizbetriebs mit gleichzeitigem Kühlbetrieb der Umluftanteil und/oder Frischluftanteil in Abhängigkeit vorliegender Parameterwerte eingestellt wird, so dass ein effizienter Heizbetrieb der Heiz-Klimaanlage ermöglicht werden kann.
Die Erfindung basiert weiter auf folgenden Erkenntnissen: Grundsätzlich bewirkt ein hoher Anteil warmer und feuchter Innenraumluft eine hohe Wärmeaufnahme am Verdampfer des Wärmepumpensystems. Im Gegensatz dazu bewirkt ein hoher Anteil kalter Außenluft eine geringe Wärmeaufnahme am Verdampfer. Wird am Verdampfer eine hohe Wärmemenge aufgenommen, muss dafür ein hoher Kältemittelmassenstrom verdampft werden. Der Kältemittelmassenstrom hängt in einem Wärmepumpensystem jedoch von anderen Parametern, wie z. B. der der gerade erforderlichen Heizleistung oder der gerade möglichen Drehzahl des elektrischen Kältemittelverdichters ab.
Um zu verhindern, dass das gesamte Kältemittel aufgrund einer hohen Wärmeaufnahme nicht bereits im Verdampfer vollständig verdampft, sondern ein Teil des (flüssigen) Kältemittels erst im nachgeordneten Außenwärmetauscher verdampft, muss der Anteil der beigemischten warmen und feuchten Innenraum-Luftmenge in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand des Kältekreislaufs entsprechend dosiert werden. Falls dies nicht der Fall ist und eine zu hohe Beimischung von Umluft erfolgen würde, würde je nach Kältekreislaufverschaltung der Außenwärmetauscher und dessen Expansionsorgan mit überhitztem Kältemittelgas durchströmt werden, was zu hohen Druckverlusten und ineffizienten Betrieb des gesamten Systems führen würde.
Um die Dosierung der beigemischten Innenraumluft für den Fall, dass das System gleichzeitig Heizen und Kühlen soll (denn dann ist die Lufttemperatur nach Verdampfer über eine Klimaelektronik gefordert), zu optimieren, ist deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Heizbetrieb mit gleichzeitigem Kühlbetrieb der Heiz-Klimaanlage ein mit der erforderlichen Wärmeaufnahme am Verdampfer korrelierender Sollwert ermittelt wird, und zum Erreichen des mit der erforderlichen Wärmeaufnahme korrelierenden Sollwertes der Frischluft- und/oder Umluftanteil durch eine Ansteuerung einer Frischluftklappe und/oder einer Umluftklappe der Heiz-Klimaanlage eingestellt wird. Bei dem zu ermittelnden Sollwert kann es sich hierbei um eine Soll-Temperaturdifferenz zwischen Lufteintritt und Luftaustritt am Verdampfer oder um eine ermittelbare Soll-Kälteleistung am Verdampfer handeln, d. h. durch eine entsprechende Mischung von Frischluft und Umluft wird versucht, die ermittelte Soll-Temperaturdifferenz bzw. die ermittelte Soll-Kälteleistung am Verdampfer zu erreichen bzw. nicht zu überschreiten, so dass sichergestellt werden kann, dass nach dem Verdampfer noch ausreichend flüssiges Kältemittel im Kältemittelkreislauf vorhanden ist, welches zur Wärmeaufnahme am nachgeordneten Außenwärmetauscher notwendig ist. Der hier beschriebene Sollwert, beispielsweise die Soll-Temperaturdifferenz, kann dann eingestellt werden, indem bspw. die Lufttemperatur vor Verdampfer durch Variation des Umluft/Frischluftverhältnisses eingestellt wird. Soll im Gegensatz dazu das System nur heizen, wird immer die maximale Umluftrate bspw. entsprechend der noch unveröffentlichten DE 10 2013 203 049 A1 eingestellt. Der Sollwert (Temperaturdifferenz) wird in dem Fall erreicht, indem die Luft nach Verdampfer ganz klassisch über einen Verdampfertemperaturregler eingestellt wird.
Der mit der erforderlichen Wärmeaufnahme am Verdampfer korrelierende Sollwert bei gleichzeitigem Heiz- und Kühlbetrieb der Heiz-Klimaanlage kann in Abhängigkeit verschiedener Parameter oder Betriebsbedingungen der Heiz-Klimaanlage ermittelt werden. Vorteilhafterweise wird der entsprechende Sollwert in Abhängigkeit von der aktuellen Außentemperatur und/oder dem eingestellten Kältemittelstrom und/oder der angeforderten Heizleistung ermittelt, wobei z. B. bei geringer Heizleistung ein kleinerer Sollwert (z. B. Soll-Temperaturdifferenz am Verdampfer oder Soll-Kälteleistung am Verdampfer) vorgegeben wird als bei höherer Heizleistung.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zum Erreichen des mit der erforderlichen Wärmeaufnahme korrelierenden Sollwertes ein PI-Regler eingesetzt, wobei als Regelgröße der ermittelte Sollwert (oder eine daraus abgeleitete Größe) und als Stellgröße die Frischluftklappenöffnung und/oder die Umluftklappenöffnung oder das Verhältnis dieser beiden Klappenöffnung herangezogen wird, d. h. zum Optimieren der Dosierung der beigemischten Innenraumluft wird ein PI-Regler mit den entsprechenden Stell- und Regelgrößen eingesetzt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Frischluft- und Umluftklappe jeweils über eigene Kennlinien in Abhängigkeit vom ermittelten Sollwert eingestellt. Wird aufgrund des aktuellen Sollwertes eine Änderung des Frischluft- und Umluftanteils angefordert, wird die Frischluftklappe entsprechend einer hinterlegten ersten Kennlinie angesteuert und die Umluftklappe entsprechend einer hinterlegten zweiten Kennlinie. Idealerweise erfolgt die Ansteuerung der Frischluftklappe und der Umluftklappe mittels einer gemeinsamen Kinematik, d. h. es wird bspw. nur ein Motor für beide Klappen verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Fig. ein vereinfachtes beispielhaftes Schema zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer Heiz-Klimaanlage in einem Fahrzeug während eines Heizbetriebs mit gleichzeitigem Kühlbetrieb.
In dem mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichneten oberen Zweig der 1 des Schemas wird überprüft, ob gleichzeitig ein Heizbetrieb HB und Kühlbetrieb KB angefordert wird. Ist dies nicht der Fall (Signal 0), wird durch eine entsprechende Stellung eines Schalters S von der Wärmepumpe eine 100% Umluftrate UL empfohlen, was dann dazu führt, dass aufgrund einer nachgeordneten Minimum-Auswahl MIN eine Umluftrate UL eingestellt wird (Bezugszeichen 30), die von der Komfortregelung 40 gewünscht wird.
Wird jedoch erkannt, dass ein Heizbetrieb HB und gleichzeitig ein Kühlbetrieb KB angefordert wird (Signal 1), wird durch eine entsprechende Stellung des Schalters S eine aus dem unten dargestellten, und nachstehend genauer erläuterten PI Regler ermittelte empfohlene Umluftrate UL_R mit der aus der Komfortregelung 40 gewünschten Umluftrate UL verglichen. Aufgrund der nachgeordneten Minimum-Auswahl MIN wird die kleinere der beiden empfohlenen bzw. gewünschten Umluftraten UL_R bzw. UL eingestellt.
Zur Bestimmung der empfohlenen Umluftrate UL_R wird anhand einer Kennlinie KL abhängig von der Außentemperatur AT ein Sollwert deltaTSoll für die Temperaturdifferenz am Verdampfer ermittelt (unterer Zweig 20). Dieser Sollwert deltaTSoll wird mit der aktuellen Verdampfertemperatur TVd addiert, um auf die erforderliche Lufttemperatur TVvorVdSoll vor dem Verdampfer zu kommen. Diese und die gemessene tatsächliche Lufttemperatur TVvorVdlst vor dem Verdampfer gehen in den PI-Regler ein, in welchem intern aus der Regelabweichung eine empfohlene Umluftrate UL_R bzw. empfohlene Position der Umluftklappe als Stellgröße ermittelt wird. Soll beispielsweise die Lufttemperatur vor dem Verdampfer erhöht werden, so muss eine höhere Umluftrate UL_R empfohlen werden und umgekehrt. Der Regelkreis ist geschlossen, indem sich durch das dann letztlich eingestellte Umluft/Frischluftverhältnis UL eine gewünschte Lufttemperatur vor Verdampfer einstellt.
Durch das hier dargestellte Verfahren kann ein sehr energieeffizienter kombinierter Heiz- und Kühlbetrieb mit vorrangigem Umluftbetrieb ermöglicht werden. Insbesondere kann durch die optimale Rückführung der Innenraumluft zum Verdampfer im Wärmepumpensystem ausreichend viel Wärme an den Innenraum zurückgeführt werden, je nach vorliegender Feuchte und Lage des Taupunkts durch eine entsprechende Entfeuchtung der Innenluft Wärme gewonnen werden, und durch die Wärmeaufnahme am Verdampfer bei gegebener Heizleistung die Belastung am Umgebungswärmetauscher reduziert werden, wodurch kältemittelseitig Druckverluste im Umgebungswärmetauscher reduziert werden, aber auch die Vereisungsgefahr am Umgebungswärmetauscher reduziert wird. Letzteres dadurch, weil der Umgebungswärmetauscher immer etwas entlastet ist, weil am Verdampfer ein Teil der aufzunehmenden Wärme aufgenommen wird. Zusätzlich kann durch diese Maßnahme eine höhere Heizleistung erzielt werden, weil insgesamt mehr Wärme aufgenommen werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10253357 B4 [0002]
DE 102013203049 A1 [0005, 0011]

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Heiz-Klimaanlage mit einem Wärmepumpensystem in einem Kraftfahrzeug während eines Heizbetriebs mit gleichzeitigem Kühlbetrieb der Heiz-Klimaanlage, wobei der Umluftanteil und/oder Frischluftanteil in Abhängigkeit vorliegender Parameterwerte eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizbetrieb (HB) mit gleichzeitigem Kühlbetrieb (KB) der Heiz-Klimaanlage ein mit der erforderlichen Wärmeaufnahme am Verdampfer korrelierender Sollwert (deltaTSoll) ermittelt wird, und zum Erreichen des mit der erforderlichen Wärmeaufnahme korrelierenden Sollwertes (deltaTSoll) der Frischluft- und/oder Umluftanteil (UL) durch eine Ansteuerung einer Frischluftklappe und/oder einer Umluftklappe der Heiz-Klimaanlage eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als ein mit der erforderlichen Wärmeaufnahme am Verdampfer korrelierender Sollwert eine Soll-Temperaturdifferenz (deltaTSoll) zwischen Lufteintritt und Luftaustritt am Verdampfer ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als ein mit der erforderlichen Wärmeaufnahme am Verdampfer korrelierender Sollwert eine Soll-Kälteleistung am Verdampfer ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der erforderlichen Wärmeaufnahme am Verdampfer korrelierende Sollwert (deltaTSoll) in Abhängigkeit von der Außentemperatur (AT) und/oder den eingestellten Kältemittelmassenstrom und/oder der angeforderten Heizleistung der Heiz-Klimaanlage ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen des mit der erforderlichen Wärmeaufnahme korrelierenden Sollwertes (deltaTSoll) ein PI-Regler (PI-Regler) eingesetzt wird, wobei als Regelgröße die Temperatur der Luft (TVvorVdSoll, TVvorVdlst) vor dem Verdampfer und als Stellgröße eine empfohlene Frischluftklappenöffnung und/oder Umluftklappenöffnung (UL_R) oder das Verhältnis dieser beiden Klappenöffnung herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluft- und Umluftklappe jeweils über eigene Kennlinien in Abhängigkeit vom ermittelten Sollwert eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluftklappe und die Umluftklappe mittels einer Kinematik für beide Klappen eingestellt werden.