DE102015120865B4

DE102015120865B4 - Kraftfahrzeug-Wärmemanagementkreis und zugehöriges Ansteuerverfahren

Info

Publication number: DE102015120865B4
Application number: DE102015120865.2A
Authority: DE
Inventors: Bertrand NICOLAS; Mohamed Yahia; Régine Haller; Jin-Ming Liu; Abdelmajid Taklanti; Samy HAMMI; Yulia Glavatskaya
Original assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Current assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2035-12-02
Also published as: DE102015120865A1; FR3030702B1; FR3030702A1

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines Kraftfahrzeug-Wärmemanagementkreises (1) in Abhängigkeit von mindestens einem Sollbefehl, wobei der Wärmemanagementkreis (1) Folgendes aufweist:- eine Schleife mit Rankine-Zyklus, die als Rankine-Schleife (3) bezeichnet wird und in der ein erstes Kältefluid zirkuliert, wobei die Rankine-Schleife (3) eine Turbine (13) aufweist,- eine Klimatisierungsschleife (5), in der ein zweites Kältefluid zirkuliert,- eine Fluidzirkulationsschleife (27), die die Klimatisierungsschleife (5) und die Rankine-Schleife (3) verbindet und in der ein erstes Wärmeträgerfluid zirkuliert, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:- einen Schritt (1001) zum Messen mindestens eines Betriebsparameters des Wärmemanagementkreises (1), wobei die gemessenen Betriebsparameter die Drehgeschwindigkeit der Turbine (13), die Temperatur (T) und den Druck (P) des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine (13) umfassen,- einen Schritt (1002) zum Schätzen der von der Rankine-Schleife (3) erzeugten Leistung (W, W) in Abhängigkeit von dem mindestens einen gemessenen Parameter und dem mindestens einen Sollbefehl, der Folgendes umfasst:- einen Schritt (1002_a) zum Schätzen des Massendurchsatzes (m) des ersten Kältefluids,- einen Schritt (1002_b) zum Schätzen der isentropen Enthalpie (ΔH) des ersten Kältefluids ausgehend von der Temperatur (T) und dem Druck (P) des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine (13) und dem Verdichtungsverhältnis (τ) des ersten Kältefluids,- einen Schritt (1002_c) zum Berechnen der isentropen Leistung (W) ausgehend von dem geschätzten Massendurchsatz (m) und der geschätzten isentropen Enthalpie (ΔH) und- einen Schritt (1002_d) zum Berechnen der Turbinenleistung (W) ausgehend von der isentropen Leistung (W), der Drehgeschwindigkeit (N) der Turbine (13) und den Eigenschaften des ersten Kältefluids und der Turbine (13), und- einen Schritt (1003) zum Bestimmen der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife (3) in Abhängigkeit von der Schätzung der von der Rankine-Schleife (3) erzeugten Leistung (W, W).

Description

Kraftfahrzeug-Wärmebehandlungskreise dienen insbesondere dazu, die Innentemperatur des Fahrzeugs in Abhängigkeit von den Befehlen der Benutzer einzustellen. Zu diesem Zweck ist bekannt, eine Klimatisierungsschleife zu verwenden, die an einen Kühler gekoppelt ist, der an der Vorderseite des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei es mit der Klimatisierungsschleife beispielsweise möglich ist, kalte Luft zu erzeugen, so dass die Temperatur innerhalb des Fahrgastraums abgesenkt wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die Klimatisierungsschleife auch reversibel sein und die Erzeugung von warmer Luft ermöglichen, mit der der Fahrzeuginnenraum erwärmt werden kann.
Aufgrund der Entwicklung von Elektrofahrzeugen und neuer Umweltschutznormen ist es jedoch angebracht, den Leistungsverbrauch der Wärmebehandlungskreise zu begrenzen. Eines der bekannten Mittel zur Reduzierung des Verbrauchs besteht darin, die aus dem Motor stammende Wärme zu verwenden, um beispielsweise über eine Schleife mit Rankine-Zyklus Energie zu erzeugen, in der mittels einer Pumpe ein Wärmeträgerfluid zirkuliert und die einen Verdampfer aufweist, der die vom Motor abgegebene Wärme rückgewinnt, um über eine Turbine die Erzeugung von elektrischer Energie zu ermöglichen.
In der gattungsgemäßen EP 2 236 803 A1 ist ein Wärmemanagementkreis beschrieben, bei dem die Rankine-Schleife zusätzlich zu einer Klimatisierungsschleife vorgesehen ist, die zum Betrieb einer Klimaanlage vorgesehen ist. Die Rankine-Schleife und die Klimatisierungsschleife stehen jeweils in Kontakt mit einer Fluidzirkulationsschleife, in der ein Wärmeträgerfluid zirkuliert.
Der Wirkungsgrad einer Schleife mit Rankine-Zyklus kann jedoch ein niedriger und sogar negativer Wirkungsgrad sein, d.h. die Rankine-Schleife kann über ihre Pumpe mehr Energie verbrauchen als sie über die Turbine freisetzt.
Die DE 10 2008 025 372 A1 schlägt vor, bei einem Wärmemanagementkreis, der eine Rankine-Schleife und eine Klimatisierungsschleife umfasst, eine Leistung der Rankine-Schleife zu berechnen und in Abhängigkeit des Ergebnisses die Rankine-Schleife zu betreiben oder nicht.
Es ist also angebracht, Mittel zu finden, mit denen der Energieverbrauch des Wärmemanagementkreises unabhängig von den Betriebsbedingungen des Kreises optimiert werden kann.
Zu diesem Zweck betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung eines Kraftfahrzeug-Wärmemanagementkreises mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Schätzung der von der Rankine-Schleife erzeugten Leistung und die Bestimmung der Inbetriebnahme oder der Unterbrechung der Rankine-Schleife ermöglichen eine Optimierung des Verbrauchs des Wärmemanagementkreises in Abhängigkeit von mindestens einem Sollbefehl und mindestens einem Betriebsparameter oder einer Betriebsbedingung.
Die Rankine-Schleife weist eine Turbine auf, wobei der oder die gemessenen Betriebsparameter die Drehgeschwindigkeit der Turbine, die Temperatur und den Druck des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine umfassen und der Schritt zum Schätzen der von der Rankine-Schleife erzeugten Leistung Folgendes umfasst:

- einen Schritt zum Schätzen des Massendurchsatzes des ersten Kältefluids,
- einen Schritt zum Schätzen der isentropen Enthalpie des ersten Kältefluids ausgehend von der Temperatur und dem Druck des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine und dem Verdichtungsverhältnisses des ersten Kältefluids,
- einen Schritt zum Berechnen der isentropen Leistung ausgehend von dem geschätzten Massendurchsatz und der geschätzten isentropen Enthalpie und
- einen Schritt zum Berechnen der Turbinenleistung ausgehend von der isentropen Leistung, der Drehgeschwindigkeit der Turbine und den Eigenschaften des ersten Kältefluids und der Turbine.

Die Schätzung der von der Rankine-Schleife erzeugten Leistung ist entscheidend, da ausgehend von dieser Schätzung über die Inbetriebnahme oder die Unterbrechung der Rankine-Schleife entschieden wird, um den Energieverbrauch des Wärmemanagementkreises zu minimieren.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Rankine-Schleife eine erste Pumpe auf, und der Schritt zum Schätzen des Massendurchsatzes des ersten Kältefluids umfasst Folgendes:

- einen Schritt zum Schätzen der Dichte des ersten Kältefluids am Eingang der ersten Pumpe in Abhängigkeit von dem Druck und der Temperatur des ersten Kältefluids am Eingang der ersten Pumpe,
- einen Schritt zum Schätzen des Massendurchsatzes ausgehend von der bestimmten Dichte des ersten Kältefluids, des Volumens der ersten Pumpe, der Drehgeschwindigkeit der ersten Pumpe und den Eigenschaften des ersten Kältefluids.

Die Bestimmung des Massendurchsatzes ist erforderlich, um die von der Rankine-Schleife erzeugte Leistung zu bestimmen. Vier Lösungen ermöglichen die Bestimmung des Massendurchsatzes. Diese erste Lösung ist einfach, erfordert jedoch die Kenntnis der Drehgeschwindigkeit der Pumpe.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Rankine-Schleife einen ersten Bifluid-Tauscher auf, der über eine Leitung, in der ein zweites Wärmeträgerfluid zirkuliert, an einen Motorkühlkreis angeschlossen werden kann, wobei der Schritt zum Schätzen des Massendurchsatzes des ersten Kältefluids Folgendes umfasst:

- einen Schritt zum Bestimmen der Leistung des ersten Bifluid-Tauschers ausgehend von der Temperatur des zweiten Wärmeträgerfluids in der Leitung am Eingang des ersten Bifluid-Tauschers, der Sättigungstemperatur des ersten Kältefluids beim Druck am Ausgang des ersten Bifluid-Tauschers und den Eigenschaften des ersten Kältefluids und des ersten Bifluid-Tauschers,
- einen Schritt zum Bestimmen der Enthalpiedifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des ersten Bifluid-Tauschers in Abhängigkeit von den Temperaturen und dem Druck am Eingang und am Ausgang des ersten Bifluid-Tauschers,
- einen Schritt zum Berechnen des Massendurchsatzes des ersten Kältefluids ausgehend von der bestimmten Leistung des ersten Bifluid-Tauschers, der bestimmten Enthalpiedifferenz und den Eigenschaften des ersten Kältefluids.

Mit dieser zweiten Lösung kann der Massendurchsatz ausgehend von den Eigenschaften des ersten Bifluid-Tauschers bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Schätzen des Massendurchsatzes (m) des ersten Kältefluids Folgendes:

- einen Schritt zum Bestimmen der Leistung des zweiten Bifluid-Tauschers ausgehend von der Sättigungstemperatur des ersten Kältefluids beim Druck am Eingang des zweiten Bifluid-Tauschers und den Eigenschaften des ersten Kältefluids und des zweiten Bifluid-Tauschers,
- einen Schritt zum Bestimmen der Enthalpiedifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des zweiten Bifluid-Tauschers in Abhängigkeit von den Temperaturen und dem Druck am Eingang und am Ausgang des zweiten Bifluid-Tauschers,
- einen Schritt zum Berechnen des Massendurchsatzes des ersten Kältefluids ausgehend von der bestimmten Leistung des zweiten Bifluid-Tauschers, der bestimmten Enthalpiedifferenz und den Eigenschaften des ersten Kältefluids.

Mit dieser dritten Lösung kann ausgehend von den Eigenschaften des zweiten Bifluid-Tauschers der Massendurchsatz bestimmt werden.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt zum Schätzen des Massendurchsatzes des ersten Kältefluids Folgendes:

- einen Schritt zum Schätzen der Dichte des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine in Abhängigkeit von dem Druck und der Temperatur des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine,
- einen Schritt zum Schätzen des Massendurchsatzes ausgehend von der bestimmten Dichte des ersten Kältefluids, des Volumens der Turbine, der Drehgeschwindigkeit der Turbine und den Eigenschaften des ersten Kältefluids.

Diese Lösung ist einfach, erfordert jedoch die Kenntnis der Drehgeschwindigkeit der Turbine.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt zum Bestimmen der Inbetriebnahme oder der Unterbrechung der Rankine-Schleife Folgendes:

- einen Schritt zum Bestimmen der von dem Wärmemanagementkreis verbrauchten Nettoleistung, die der Differenz zwischen der von dem Wärmemanagementkreis verbrauchten Leistung und der von der Rankine-Schleife erzeugten Leistung entspricht, in Abhängigkeit von dem oder den gemessenen Betriebsparameter(n) und der Sollbefehle,
- einen Schritt zum Vergleichen der von dem Wärmemanagementkreis verbrauchten Nettoleistung, die anhand eines ersten und eines zweiten vorbestimmten Schwellenwerts bestimmt wird.

Der Vergleich zwischen der von dem Kreis verbrauchten Nettoleistung und den vorbestimmten Schwellenwerten liefert eine erste Bedingung für die Inbetriebnahme oder die Unterbrechung der Rankine-Schleife. Diese erste Bedingung kann auch einer vereinfachten oder abgestuften Ausführungsform der Erfindung entsprechen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren auch Folgendes:

- einen Schritt für die Inbetriebnahme der Rankine-Schleife, wenn die bestimmte von dem Wärmemanagementkreis verbrauchte Nettoleistung niedriger ist als ein erster vorbestimmter Schwellenwert, und
- einen Schritt zum Unterbrechen der Rankine-Schleife, wenn die bestimmte von dem Wärmemanagementkreis verbrauchte Nettoleistung höher ist als der zweite vorbestimmte Schwellenwert.

Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Klimatisierungsschleife einen Kondensator auf, wobei der oder die gemessenen Betriebsparameter den Druck am Ausgang des Kondensators umfassen und der Schritt zum Bestimmen der Inbetriebnahme oder der Unterbrechung der Rankine-Schleife auch Folgendes umfasst:

- einen Schritt zum Vergleichen der geschätzten von der Rankine-Schleife erzeugten Nettoleistung mit einem dritten und einem vierten Schwellenwert und
- einen Schritt zum Vergleichen des Drucks des zweiten Kältefluids am Ausgang des Kondensators mit einem fünften, einem sechsten und einem siebten Schwellenwert.

Mit der von der Rankine-Schleife erzeugten Nettoleistung und dem Druck des zweiten Kältefluids am Ausgang des Kondensators ist es auch mit der von dem Wärmemanagementkreis verbrauchten Leistung möglich, über die Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife zu entscheiden. Der Druck am Ausgang des Kondensators spiegelt den Betrieb der Klimatisierungsschleife wider.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren auch Folgendes:

- einen Schritt für die Inbetriebnahme der Rankine-Schleife, wenn die von dem Wärmemanagementkreis verbrauchte Nettoleistung niedriger ist als der erste vorbestimmte Schwellenwert, die Nettoleistung der Rankine-Schleife höher ist als der dritte vorbestimmte Schwellenwert und der Druck des zweiten Kältefluids am Ausgang des Kondensators niedriger ist als der fünfte vorbestimmte Schwellenwert, und
- einen Schritt zum Unterbrechen der Rankine-Schleife, wenn die von dem Wärmemanagementkreis verbrauchte Nettoleistung höher ist als der zweite vorbestimmte Schwellenwert.

Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren, wenn die Rankine-Schleife in Betrieb gesetzt wird, auch Folgendes:

- einen Schritt zum Bestimmen der Betriebspunkte des Wärmemanagementkreises, mit denen die Sollbefehle eingehalten werden können, wenn kein Betriebspunkt die Einhaltung der Sollbefehle ermöglicht,
- einen Schritt zum Auswählen des Betriebspunktes, der den Sollbefehlen am Nächsten kommt,

- einen Schritt zum Auswählen des Betriebspunkts, an dem die von dem Wärmemanagementkreis verbrauchte Nettoleistung minimal ist, und
- einen Schritt zum Anwenden des ausgewählten Betriebspunkts.

Sobald entschieden wurde, die Rankine-Schleife in Betrieb zu setzen oder zu unterbrechen, muss noch der Wärmemanagementkreis derart angesteuert werden, dass der Energieaufwand optimiert wird und dabei die Sollbefehle eingehalten werden.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Rankine-Schleife eine erste Pumpe auf, wobei das Verfahren auch Folgendes umfasst:

- einen Schritt zum Verringern der Leistung der ersten Pumpe, wenn die Rankine-Schleife in Betrieb ist und der Druck am Ausgang des Kondensators höher ist als der sechste vorbestimmte Schwellenwert.

Mit der Reduzierung der Leistung der Rankine-Schleife ist es indirekt möglich, den Druck am Ausgang des Kondensators zu senken.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren auch Folgendes:

- einen Schritt zum Bestimmen der Betriebspunkte des Wärmemanagementkreises, mit denen es möglich ist, die Sollbefehle einzuhalten, wenn die Rankine-Schleife in Betrieb ist und der Druck am Ausgang des Kondensators niedriger ist als der siebte vorbestimmte Schwellenwert,

- einen Schritt zum Auswählen des Betriebspunkts, der den Sollbefehlen am nächsten kommt,

Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Rankine-Schleife eine erste Pumpe auf, wobei die Klimatisierungsschleife einen Verdichter und die Fluidzirkulationsschleife einen Kühler aufweist, der mit einem Lüfter ausgestattet ist, und wobei ein Betriebspunkt die Leistung der ersten Pumpe, die Leistung des Verdichters und die Drehgeschwindigkeit des Lüfters des Kühlers umfasst.
Die erste Pumpe, der Verdichter und der Kühler sind die drei Geräte, über die mindestens einer der Parameter des Wärmemanagementkreises verändert werden kann.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt zum Bestimmen der Betriebspunkte des Wärmemanagementkreises, mit denen ein oder mehrere Sollbefehle eingehalten werden können, die Berücksichtigung von Schwellenwerten für die Verwendung des Wärmemanagementkreises.
Es liegen häufig Benutzungsschwellenwerte vor, die von den Herstellern definiert werden und über die hinaus der Verschleiß der Geräte schneller erfolgt, was berücksichtigt werden sollte.
Gemäß einem weiteren zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Verfahrensschritte im Zeitverlauf wiederholt.
Durch die Wiederholung der Verfahrensschritte im Zeitverlauf kann die Veränderung des oder der Betriebsparameter oder des oder der Sollbefehle im Zeitverlauf berücksichtigt werden.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Rankine-Schleife eine erste Pumpe, einen ersten Bifluid-Tauscher, der über eine Leitung an einen Motorkühlkreis angeschlossen werden kann, und eine Turbine auf, wobei die Klimatisierungsschleife einen Kondensator und einen Druckminderer aufweist, die Fluidzirkulationsschleife einen Kühler aufweist und die gemessenen Parameter zumindest eine Kombination der nachfolgenden Parameter umfassen:

- die Temperatur des zweiten Wärmeträgerfluids am Eingang des ersten Bifluid-Tauschers auf Höhe der Versorgungsleitung,
- die Temperatur des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine,
- den Druck des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine,
- die Temperatur des ersten Kältefluids am Eingang der ersten Pumpe,
- den Druck des ersten Kältefluids am Eingang der ersten Pumpe,
- die Außentemperatur auf Höhe des Kühlers,
- die Temperatur des ersten Wärmeträgerfluids am Eingang des Kondensators,
- den Druck des zweiten Kältefluids am Ausgang des Kondensators.

Mit diesen Betriebsparametern ist es möglich, den Zustand des Wärmemanagementkreises zu kennen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Kraftfahrzeug-Wärmemanagementkreis mit den Merkmalen des Anspruch 13.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Rankine-Schleife Folgendes auf:

- eine erste Pumpe,
- einen ersten Bifluid-Tauscher, der über eine Leitung, in der ein zweites Wärmeträgerfluid zirkuliert, an einen Motorkühlkreis angeschlossen werden kann,
- eine Turbine,
- einen zweiten Bifluid-Tauscher, der als Kühltauscher bezeichnet wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Klimatisierungsschleife Folgendes auf:

- einen Verdichter,
- einen Kondensator, der stromabwärts des Verdichters angeordnet ist,
- einen Druckminderer, der stromabwärts des Kondensators angeordnet ist,
- einen Verdampfer, der stromabwärts des Druckminderers angeordnet ist.

Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Fluidzirkulationsschleife eine zweite Pumpe und einen mit einem Lüfter ausgestatteten Kühler auf, wobei die Fluidzirkulationsschleife über den Kondensator mit der Klimatisierungsschleife und über den zweiten Bifluid-Tauscher mit der Rankine-Schleife verbunden ist.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Rankine-Schleife auch einen Unterkühlungstauscher auf, der stromabwärts des zweiten Bifluid-Tauschers angeordnet und mit der Fluidzirkulationsschleife verbunden ist.
Mit dem Unterkühlungstauscher kann gewährleistet werden, dass das zweite Kältefluid am Eingang der ersten Pumpe in der Flüssigphase vorliegt.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Fluidzirkulationsschleife auch einen Dreiwegestecker auf, der stromabwärts des Kühlers und einerseits mit dem Kondensator und andererseits mit dem Unterkühlungstauscher verbunden ist.
Mit dem Dreiwege-Stecker kann der Durchsatz zum Kondensator bedarfsabhängig moduliert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Behandlungsmittel dazu ausgelegt, die nachfolgenden Schritte auszuführen:

- Bestimmen der von der Rankine-Schleife erzeugten Nettoleistung, der von dem Wärmemanagementkreis verbrauchten Nettoleistung,
- Vergleichen der von der Rankine-Schleife erzeugten Nettoleistung, der von dem Wärmemanagementkreis verbrauchten Nettoleistung und des Drucks beim Druck am Ausgang des Kondensators mit vorbestimmten Schwellenwerten und
- Entscheiden über die Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife in Abhängigkeit der Ergebnisse des Vergleichs.

Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Behandlungsmittel auch dazu ausgelegt, die Betriebspunkte des Wärmemanagementkreises in Abhängigkeit von einem oder mehreren Sollbefehlen zu bestimmen.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Betriebspunkt die Leistung der ersten Pumpe, die Leistung des Verdichters und die Drehgeschwindigkeit des Kühlerlüfters, wobei die Behandlungsmittel dazu ausgelegt sind, die Leistung der ersten Pumpe, die Leistung des Verdichters und die Drehgeschwindigkeit des Lüfters des Kühlers anzusteuern.
Gemäß einem weiteren zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden das erste und das zweite Kältefluid durch ein Fluid aus der nachfolgenden Liste gebildet:

- Ethanol,
- glykolhaltiges Wasser.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die beigefügten Figuren gegeben ist. Darin zeigen:

- 1 ein Schema eines Wärmemanagementkreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 ein Schema der Steuereinheiten, der Rankine-Schleife und der Klimatisierungsschleife und der Kommunikationsmittel zwischen diesen verschiedenen Elementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 3 ein Schema der allgemeinen Schritte des Verfahrens zur Ansteuerung des Wärmemanagementkreises,
- 4 ein Schema der Unterschritte zum Schätzen der von der Rankine-Schleife erzeugten Leistung,
- 5 ein Schema der Unterschritte zum Bestimmen der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 6 ein Schema der Unterschritte zum Bestimmen der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 7 ein Schema der Unterschritte zum Bestimmen der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife gemäß einer dritten Ausführungsform,
- 8 ein Schema der Unterschritte zum Bestimmen der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife gemäß einer vierten Ausführungsform,
- 9 die Schritte nach der Inbetriebnahme der Rankine-Schleife,
- 10 ein Schema der verschiedenen Funktionen, die von der allgemeinen Steuereinheit während des Verfahrens zur Ansteuerung des Wärmemanagementkreises gemäß einer ersten Ausführungsform durchgeführt werden,
- 11 ein Schema der verschiedenen Funktionen, die von der ersten Steuereinheit der Rankine-Schleife während des Verfahrens zur Ansteuerung des Wärmemanagementkreises gemäß einer ersten Ausführungsform durchgeführt werden.

In allen Figuren haben die gleichen Elemente die gleichen Bezugszeichen.
Bei der vorliegenden Beschreibung ist unter „stromaufwärts oder davor angeordnet“ zu verstehen, dass ein Element bezogen auf die Fluidzirkulationsrichtung im Kreis vor einem weiteren Element angeordnet ist. Im Gegensatz dazu, ist unter „stromabwärts oder danach angeordnet“ zu verstehen, dass ein Element bezogen auf die Fluidzirkulationsrichtung im Kreis nach einem weiteren Element angeordnet ist.
1 zeigt einen Wärmemanagementkreis 1 eines Kraftfahrzeugs mit einer Schleife mit Rankine-Zyklus 3, die als Rankine-Schleife bezeichnet wird und in der ein erstes Kältefluid zirkuliert, einer Klimatisierungsschleife 5, in der ein zweites Kältefluid zirkuliert, und einer Fluidzirkulationsschleife 27, in der ein erstes Wärmeträgerfluid zirkuliert. Die Rankine-Schleife 3 weist eine erste Pumpe 7 auf, die das erste Kältefluid, beispielsweise Ethanol oder glykolhaltiges Wasser, zu einem ersten Bifluid-Tauscher 9 leitet, der als Verdampfer wirkt und von einer Leitung 11 gespeist wird, in der ein zweites Wärmeträgerfluid zirkuliert, beispielsweise Wasser zum Kühlen des Motors oder die Motorabgase. Die Wärme des zweiten Wärmeträgerfluids wird zum ersten Kältefluid der Rankine-Schleife 3 geleitet, das dann zu Gas verdampft. Das erste Kältefluid in Gasform wird dann zu einer Turbine 13 geleitet, die stromabwärts des ersten Bifluid-Tauschers 9 angeordnet ist. Das Strömen des ersten Kältefluids dann in Form von komprimiertem Gas durch die Turbine 13 ermöglicht die Erzeugung von Strom. Das erste Kältefluid wird dann zu einem zweiten Bifluid-Tauscher 15 geleitet, der als Kühltauscher bezeichnet wird und stromabwärts der Turbine 13 angeordnet ist und als Kondensator wirkt, in dem das erste Kältefluid in Gasform gekühlt und zumindest teilweise kondensiert wird. Das Kondensieren kann jedoch nicht vollständig erfolgen, so dass das erste Kältefluid in Form eines Diphasenfluids vorliegen kann, von dem ein Teil am Ausgang des zweiten Bifluid-Tauschers 15 gasförmig und der andere Teil flüssig ist. Um das Vorhandensein von Gas zu verhindern, kann stromabwärts des zweiten Bifluid-Tauschers 15 und stromaufwärts der ersten Pumpe 7 ein Unterkühlungstauscher 17 zur Rankine-Schleife 3 hinzugefügt werden.
Die Klimatisierungsschleife 5 weist einen Verdichter 19 auf, der dazu ausgelegt ist, das zweite Kältefluid, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol oder Kohlendioxid (CO2) oder ein chemisches Kühlmittel, wie etwa 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R-134a) oder 2,3,3,3,-Tetrafluorpropen (R-1234yf) in der Klimatisierungsschleife 5 in Umlauf zu bringen. Die Klimatisierungsschleife 5 weist auch einen Kondensator 211 auf, der stromabwärts des Verdichters 19 angeordnet ist und in dem das zweite Kältefluid von einem gasförmigen in einen flüssigen Zustand übergeht. Der Druck des zweiten Kältefluids in flüssiger Form wird dann auf Höhe eines stromabwärts des Kondensators 21 angeordneten Druckminderers 23 verringert. In einem stromabwärts des Druckminderers 23 angeordneten Verdampfer 25 geht das zweite Kältefluid von einem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand über. Der Verdampfer 25 liegt in einem Luftstrom, der zum Fahrzeuginnenraum gerichtet ist. Die Energie, die für die Phasenänderung, den Übergang von der Flüssigphase in die Gasphase, erforderlich ist, wird dem Luftstrom entnommen, der dann gekühlt wird, wodurch für den Fahrzeuginnenraum bestimmte frische Luft erzeugt werden kann.
Der Wärmemanagementkreis 1 weist auch eine Schleife 27 für die Zirkulation eines ersten Wärmeträgerfluids, beispielsweise glykolhaltiges Wasser auf, die mit dem zweiten Bifluid-Tauscher 15 der Rankine-Schleife 3 und mit dem Kondensator 21 der Klimatisierungsschleife 5 und gegebenenfalls mit dem Unterkühlungstauscher 17 verbunden ist. Die Fluidzirkulationsschleife 27 weist eine zweite Pumpe 29 auf, die als Zirkulationspumpe bezeichnet wird und dazu ausgelegt ist, das erste Wärmeträgerfluid in der Fluidzirkulationsschleife 27 in Umlauf zu bringen, sowie einen Kühler 31, der im Allgemeinen an der Vorderseite des Fahrzeugs angeordnet ist und beispielsweise einen Lüfter aufweist, der die Zirkulationsgeschwindigkeit der Außenluft durch den Kühler 31 einstellen soll, wobei mit dem Kühler 31 das erste Wärmeträgerfluid gekühlt werden kann. Die Fluidzirkulationsschleife 27 weist auch einen Dreiwegestecker 33 auf, der stromabwärts des Kühlers 31 angeordnet und dazu ausgelegt ist, die Verteilung des aus dem Kühler 31 stammenden zweiten Wärmeträgerfluids zum Kondensator 21 und zum Unterkühlungstauscher 17 zu modulieren (da die drei Wege stets offen sind, ändert sich nur die Verteilung zu dem einen oder anderen Weg). Das aus dem zweiten Kondensator 21 und der Unterkühlungsvorrichtung 17 stammende erste Wärmeträgerfluid wird dann über die zweite Pumpe 29 erneut zum zweiten Bifluid-Tauscher 15 und dann zum Kühler 31 geleitet.
Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausgestaltung des Wärmemanagementkreises 1 beschränkt ist, die anhand von 1 gezeigt ist, sondern auf weitere Ausgestaltungen ausgedehnt werden kann, die eine Rankine-Schleife 3, eine Klimatisierungsschleife 5 und eine Fluidzirkulationsschleife 27 mit einem Kühler aufweisen, die mit einem Element der Rankine-Schleife 3 und der Klimatisierungsschleife 5 verbunden ist. Der Wärmemanagementkreis 1 kann zum Beispiel keine Unterkühlungsvorrichtung 17 aufweisen, oder der erste Bifluid-Taucher 15 und der Kondensator 21 können zu einem einzigen Element oder zu jeglicher von dem Fachmann bekannten Ausgestaltung zusammengefasst werden.
Der Wärmemanagementkreis 1 weist auch Messmittel auf, die dazu ausgelegt sind, einen oder mehrere Parameter des Kreises 1, insbesondere die Temperatur und den Druck der verschiedenen Fluide des Kreises 1 an unterschiedlichen Stellen des Kreises 1 zu messen. Ein Temperatursensor 35 zur Messung der Temperatur T_can des zweiten Wärmeträgerfluids liegt insbesondere in der Leitung 11 am Eingang des ersten Bifluid-Tauschers 9.
Auf Höhe der Rankine-Schleife 3 sind auch ein Sensor 37 zur Erfassung der Temperatur und ein Sensor 39 zur Erfassung des Drucks des ersten Kältefluids am Ausgang des ersten Bifluid-Tauschers 9 angeordnet, um T₁ und P₁ zu messen, und ein Sensor 41 zur Erfassung der Temperatur und ein Sensor 43 zur Erfassung des Drucks des ersten Kältefluids sind auch am Ausgang des Unterkühlungstauschers 17 angeordnet, um T₂ und P₂ zu messen.
Ein Temperatursensor 46 ist auch auf Höhe des Kühlers 31 angeordnet, um die Außentemperatur Text der Außenluft zu messen.
Was die Fluidzirkulationsschleife 27 angeht, ist ein Temperatursensor 45 am Eingang des Kondensators 21 angeordnet, um die Temperatur T_{cond_in} des ersten Wärmeträgerfluids zu messen.
Bezüglich der Klimatisierungsschleife 5 ist ein Drucksensor 47 am Ausgang des Kondensators 21 angeordnet, um den Druck P₃ des zweiten Kältefluids zu messen.
Es können auch weitere Sensoren an verschiedenen Stellen des Wärmemanagementkreises 1 angeordnet sein.
Der Wärmemanagementkreis 1 weist außerdem auch eine oder mehrere Steuereinheiten mit Behandlungsmitteln auf, die dazu ausgelegt sind, die Messungen der verschiedenen Sensoren zu erhalten und zu verarbeiten, wodurch der Wert der verschiedenen Parameter und somit der Zustand des Wärmemanagementkreises 1 bekannt wird. Die Steuereinheiten sind auch dazu ausgelegt, die verschiedenen Betriebspunkte des Systems ausgehend von dem oder den gemessenen Parameter und von einem oder mehreren Befehlen, die zu den verschiedenen ansteuerbaren Elementen des Wärmemanagementkreises 1 gesendet werden, zu schätzen oder zu bewerten. Bei diesen ansteuerbaren Elementen handelt es sich hauptsächlich um die erste Pumpe 7, den Verdichter 19 und den Lüfter des Kühlers 31, falls vorhanden, zu denen auch die zweite Pumpe 29 und das Ventil 33 hinzukommen können. Die Steuereinheiten sind dazu ausgelegt, den Einfluss einer Änderung eines oder mehrerer Befehle mindestens eines der ansteuerbaren Elemente zu bestimmen und auch den oder die Befehle zu bestimmen, die an diese ansteuerbaren Elemente anzulegen sind, um den gewünschten Betriebspunkt des Wärmemanagementkreises 1 in Abhängigkeit von dem oder den Parametern zu erhalten. Ein Betriebspunkt beschreibt die Auslegung der verschiedenen Elemente und der verschiedenen Temperaturen und Drücke der unterschiedlichen Fluide des Wärmemanagementkreises 1.
Es sei zudem angemerkt, dass die Bestimmung der Betriebspunkte des Wärmemanagementkreises 1, mit denen der oder die Sollbefehle des Nutzers eingehalten werden können, die Berücksichtigung der Benutzungsschwellenwerte umfassen kann. Die maximalen Benutzungsschwellenwerte können nämlich von einer Steuereinheit definiert werden, um die Weite des Benutzungsbereichs eines Elements anzugeben. Es können beispielsweise eine maximale Leistung für die erste Pumpe 7 oder eine maximale Drehgeschwindigkeit für den Lüfter des Kühlers 31 definiert werden.
Im vorliegenden Fall werden drei Steuereinheiten betrachtet, wie in 2 gezeigt ist, wie etwa eine erste Steuereinheit 49 der Rankine-Schleife 3, eine zweite Steuereinheit 51 der Klimatisierungsschleife 5 und des Fluidkreises 27, und eine allgemeine Steuereinheit 53 des Motors oder des Fahrzeugs. Die Verwendung von drei Steuereinheiten, die der Rankine-Schleife 3, der Klimatisierungsschleife 5 bzw. der allgemeinen Steuereinheit des Fahrzeugs zugeordnet sind, ermöglicht eine größere Flexibilität, um Änderungen an den Steuereinheiten durchzuführen, und bietet eine größere Modularität als bei einer einzigen Steuereinheit. Es ist somit einfacher, die verschiedenen Anwendungen, die den verschiedenen Steuereinheiten zugeordnet sind, zu entwickeln.
Die erste Steuereinheit 49 kann über Kommunikationsmittel 55 mit der Rankine-Schleife 3 Signale austauschen, wodurch die erste Steuereinheit 49 die Messungen der Sensoren der Rankine-Schleife 3 gewinnen und den oder die Befehle zu den ansteuerbaren Elementen der Rankine-Schleife 3 senden kann.
Die zweite Steuereinheit 51 kann über Kommunikationsmittel 57 Signale mit der Klimatisierungsschleife 5 und der Fluidzirkulationsschleife 27 austauschen, wodurch die zweite Steuereinheit 51 die Messungen der Sensoren der Klimatisierungsschleife 5 und der Fluidzirkulationsschleife 27 erhalten und den oder die Befehle zu den ansteuerbaren Elementen der Klimatisierungsschleife 5 und der Fluidzirkulationsschleife 27 senden kann.
Die Steuereinheiten 49 und 51 können über Kommunikationsmittel 59 untereinander Signale austauschen.
Die Steuereinheiten 49 und 53 können über Kommunikationsmittel 61 untereinander Signale austauschen.
Die Steuereinheiten 51 und 53 können über Kommunikationsmittel 63 untereinander Signale austauschen.
Die Kommunikationsmittel 59, 61, 63 umfassen beispielsweise Kabel, die die Steuereinheiten verbinden, oder Mittel zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen. Die zwischen der ersten 49 und der zweiten Steuereinheit 51 ausgetauschten Signale betreffen die Betriebszustände der Rankine-Schleife 3 und der Klimatisierungsschleife 5, wobei sie zwischen den beiden Steuereinheiten 49 und 51 ausgetauscht werden. Die von der allgemeinen Steuereinheit zur ersten Steuereinheit 49 bzw. zur zweiten Steuereinheit 51 gesendeten Signale sind Steuersignale zur Aktivierung der Rankine-Schleife 3 oder zur Angabe der von der Turbine 13 zu erzeugenden oder von dem Verdichter 19 zu verbrauchenden Leistung oder eine Kombination aus diesen Befehlen. Die von der ersten Steuereinheit 49 zur allgemeinen Steuereinheit 53 gesendeten Signale betreffen den Betriebszustand der Rankine-Schleife 3, wie etwa eine Schätzung der Leistung, die von der Turbine 13 erzeugt werden kann, eine Fehlfunktion der Rankine-Schleife 3 ... oder eine Kombination aus diesen Informationen.
Die Signale, die von der zweiten Steuereinheit 51 zur allgemeinen Steuereinheit 53 gesendet werden, betreffen den Betriebszustand der Klimatisierungsschleife 5, eine Fehlfunktion der Klimatisierungsschleife 5 ... oder eine Kombination aus diesen Informationen.
Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine Ausgestaltung mit drei Steuereinheiten beschränkt ist. Die Funktionen der drei Steuereinheiten 49, 51 und 53 können nämlich in einer einzigen Steuereinheit oder in einer beliebigen Anzahl von Steuereinheiten zusammengefasst werden, mit denen die Funktionen der drei oben beschriebenen Steuereinheiten ausgeführt werden können.
Die von den verschiedenen Sensoren des Wärmemanagementkreises 1 durchgeführten Messungen werden von den Behandlungsmitteln der verschiedenen Steuereinheiten gewonnen und ermöglichen es den Steuereinheiten, in Echtzeit den Zustand des Wärmemanagementkreises 1 zu kennen und zu bestimmen, ob mit diesem Zustand der oder die Sollbefehle des Nutzers erreicht werden und der Energieverbrauch des Fahrzeugs optimiert werden können.
Eine der Schwierigkeiten für die Steuereinheiten besteht somit darin, über die Aktivierung oder nicht-Aktivierung der Rankine-Schleife 3 zu entscheiden. Die Rankine-Schleife 3 wird nämlich dazu verwendet, ausgehend von der von dem Motor abgegebenen Wärmeenergie elektrische Energie zu erzeugen. Entsprechend den verschiedenen Betriebsbedingungen (Betriebszustand des Motors, Betriebszustand der Klimatisierungsschleife und Außenbedingungen) kann jedoch die Aktivierung der Rankine-Schleife 3 nicht rentabel sein, wenn die von der Turbine 13 gelieferte Energie die von der ersten Pumpe 7 erzeugte Energie nicht oder nur knapp kompensiert. Die Aktivierung der Rankine-Schleife 3 kann außerdem Auswirkungen auf die Temperatur des ersten Wärmeträgerfluids der Fluidzirkulationsschleife 27 und somit auf den Betrieb des Kondensators 21 haben, so dass diese Parameter bei der Entscheidung über die Aktivierung der Rankine-Schleife 3 auch zu berücksichtigen sind, wenn der Gesamtbetrieb des Wärmemanagementkreises 1 optimiert werden soll. In der nachfolgenden Beschreibung werden verschiedene, mehr oder weniger komplexe Ausführungsformen beschrieben, die mehr oder weniger Parameter berücksichtigen.
Um über die Rentabilität der Rankine-Schleife 3 entscheiden zu können, ist es angebracht, die von der Turbine 13 der Rankine-Schleife 3 erzeugte Leistung schätzen zu können.
Diese Schätzung wird zum Beispiel von der ersten Steuereinheit 49 ausgehend von den verschiedenen Messungen und den gewonnenen Parametern durchgeführt.
Das Verfahren zur Ansteuerung des Wärmemanagementkreises 1 kann somit mit den allgemeinen Schritten aus 3 zusammengefasst werden, in denen:

- der erste Schritt 1001 den Messungen der Parameter des Wärmemanagementkreises durch die verschiedenen, oben beschriebenen Sensoren entspricht,
- der zweite Schritt dem Schätzen der von der Rankine-Schleife 3 erzeugten Leistung, d.h. der von der Turbine 13 erzeugten Leistung W_tur oder der von der Rankine-Schleife 3 erzeugten Nettoleistung W_rank entspricht,
- der dritte Schritt 1003 dem Bestimmen der Inbetriebnahme oder der Unterbrechung der Rankine-Schleife 3 in Abhängigkeit von der in Schritt 1002 geschätzten Leistung entspricht.

Der zweite Schritt 1002, der das Schätzen der von der Turbine 13 erzeugten Leistung betrifft, wird nun anhand von 4 ausführlicher beschrieben:
Die von der Turbine 13 erzeugte Leistung W_tur kann durch die Gleichung (1) ausgedrückt werden: $W_{t u r} = a W_{i s} - b N_{t u r}$
wobei a und b Koeffizienten sind, die von dem ersten Kältefluid und der Turbine 13 abhängig sind. Der Koeffizient a hängt insbesondere von dem mechanischen Wirkungsgrad der Turbine für das verwendete Kältefluid ab. Der Koeffizient a beträgt beispielsweise zwischen 0,5 und 0,85. Der Koeffizient b hängt von der Geschwindigkeit der Turbine 13 ab und beträgt beispielsweise zwischen 0,01 und 0,03. Die Werte der Koeffizienten a und b hängen auch von der isentropen Leistung W_is und der Drehgeschwindigkeit N_tur der Turbine 13 ab.
Die isentrope Leistung wird durch die Gleichung (2) definiert: $W_{i s} = m Δ H_{i s}$
wobei m der Massendurchsatz (in Kg/s) des ersten Kältefluids ist und ΔH_is die isentrope Enthalpie (in J/Kg) ist.
Schritt 1002 umfasst somit drei Unterschritte:

- einen Schritt 1002_a zum Schätzen des Massendurchsatzes m des ersten Kältefluids,
- einen Schritt 1002_b zum Schätzen der isentropen Enthalpie ΔH_is, und
- einen Schritt 1002_c zum Berechnen der isentropen Leistung W_is ausgehend von der Gleichung (2),
- einen Schritt 1002_d zum Berechnen der Leistung W_tur ausgehend von der Gleichung (1).

Der Massendurchsatz kann mit verschiedenen Methoden geschätzt werden:

a) die erste Methode besteht darin, die Drehgeschwindigkeit N_tur der Turbine heranzuziehen, wenn diese bekannt ist, wobei der Massendurchsatz dann durch die Gleichung (3) ausgedrückt werden kann: $m = \frac{μ_{t u r} R_{0} (P_{1}, T_{1}) V_{t u r} N_{t u r}}{60}$
wobei µ_tur der volumetrische Wirkungsgrad der Turbine 13 für das erste Kältefluid ist, R₀(P₁, T₁) die Dichte des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine 13 (in Abhängigkeit von der Temperatur T₁ und dem Druck P₁ am Eingang der Turbine 13) ist und V_tur das Volumen (in m³) der Turbine 13 ist.

Diese erste Methode erfordert die nachfolgenden Unterschritte:

- einen Schritt 1002_a1 zum Schätzen der Dichte R₀ des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine 13,
- einen Schritt 1002_a2 zum Schätzen des Massendurchsatzes ausgehend von Gleichung (3).

b) das zweite Verfahren besteht darin, die Eigenschaften des ersten Verdampfers 9 zu nutzen: $m = \frac{W_{e v a}}{Δ H_{e v a}}$
wobei W_eva die Leistung des ersten Bifluid-Tauschers 9 (in W) und ΔH_eva die Enthalpiedifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des ersten Bifluid-Tauschers 9 ist: $Δ H_{e v a} = H (P_{1}, T_{1}) - H (P_{1}, T_{2})$
wobei T₂ und P₁ die Temperatur und den Druck des ersten Kältefluids am Eingang des ersten Bifluid-Tauschers 9 darstellen.

Dieses zweite Verfahren erfordert die nachfolgenden Unterschritte:

- einen Schritt 1002_a3 zum Bestimmen der Leistung W_eva des ersten Bifluid-Tauschers 9 ausgehend von der Temperatur T_can des zweiten Wärmeträgerfluids in der Leitung 11 am Eingang des ersten Bifluid-Tauschers 9, der Sättigungstemperatur T_{sat_w} des ersten Kältefluids beim Druck P₁ am Ausgang des ersten Bifluid-Tauschers 9 und den Eigenschaften des ersten Kältefluids und des ersten Bifluid-Tauschers 9,
- einen Schritt 1002_a4 zum Bestimmen der Enthalpiedifferenz ΔH_eva zwischen dem Eingang und dem Ausgang des ersten Bifluid-Tauschers 9 in Abhängigkeit von den Temperaturen T₂, T₁ und dem Druck P₁ am Eingang und am Ausgang des ersten Bifluid-Tauschers 9,
- einen Schritt 1002_a5 zum Berechnen des Massendurchsatzes m ausgehend von der Gleichung (4).

c) die dritte Methode besteht darin, die Eigenschaften des zweiten Bifluid-Tauschers 15 zu verwenden: $m = \frac{W_{c o n d}}{Δ H_{cond}}$
wobei W_cond die Leistung des zweiten Bifluid-Tauschers 15 (mit W) ist und ΔH_cond die Enthalpiedifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des zweiten Bifluid-Tauschers 15 ist: $Δ H_{c o n d} = H (P_{2}, T_{c o n d . i n}) - H (P_{2}, T_{2})$
wobei T_cond.in die geschätzte Temperatur am Eingang des zweiten Bifluid-Tauschers 15 ist, wobei diese Temperatur mit der nachfolgenden Gleichung (7) geschätzt werden kann: $T_{c o n d . i n} = \frac{T_{1} + 273,15)}{[ϒ^{n - \frac{1}{n}}]} - 273,15 + x$
wobei x ein (optionaler) Versatz ist, n ein adiabatischer Koeffizient ist, der mit dem ersten Kältefluid zusammenhängt, und τ das Verdichtungsverhältnis des ersten Kältefluids ist.

Alternativ kann ein Temperatursensor am Eingang des ersten Kondensators 15 angeordnet sein.
Diese dritte Methode erfordert die nachfolgenden Unterschritte:

- einen Schritt 1002_a6 zum Bestimmen der Leistung W_cond des zweiten Bifluid-Tauschers 15 ausgehend von der Sättigungstemperatur T_{sat_w} des ersten Kältefluids beim Druck P₂ am Ausgang des zweiten Bifluid-Tauschers 15 und den Eigenschaften des ersten Kältefluids und des zweiten Bifluid-Tauschers 15,
- einen Schritt 1002_a7 zum Bestimmen der Enthalpiedifferenz ΔH_cond zwischen dem Eingang und dem Ausgang des zweiten Bifluid-Tauschers 15 in Abhängigkeit von den Temperaturen (T_cond.in, T₂) und dem Druck (P₂) am Eingang und am Ausgang des zweiten Bifluid-Tauschers (15),
- einen Schritt 1002_a8 zum Berechnen des Massendurchsatzes m ausgehend von der Gleichung (5).

d) die vierte Methode besteht darin, die Eigenschaften der ersten Pumpe 7 zu nutzen: $m = \frac{μ_{P} R_{0} (P_{2}, T_{2}) V_{P} N_{p}}{60}$
wobei µ_p der volumetrische Wirkungsgrad der Turbine 13 für das erste Kältefluid ist, R₀(P₂, T₂) die Dichte des ersten Kältefluids am Eingang der ersten Pumpe 7 ist (in Abhängigkeit von dem Druck P₂ und der Temperatur T₂ am Eingang der ersten Pumpe 7), V_p das Volumen der ersten Pumpe 8 (in m³) ist und N_p die Drehgeschwindigkeit der ersten Pumpe 7 (in U/min) ist.

Diese vierte Methode erfordert die nachfolgenden Schritte:

- einen Schritt 1002_a9 zum Schätzen der Dichte R₀ des ersten Kältefluids am Eingang der ersten Pumpe 7,
- einen Schritt 1002_a10 zum Schätzen des Massendurchsatzes ausgehend von der Gleichung (8).

Die Auswahl einer der vier Methoden, die oben vorgestellt werden, hängt im Wesentlichen von den verfügbaren Parametern ab. Die erste und die vierte Methode sind nämlich einfacher auszuführen, erfordern jedoch die Kenntnis der Drehgeschwindigkeit N_tur der Turbine 13 bzw. der Drehgeschwindigkeit N_p der ersten Pumpe 7.
Was den Schritt 1002_b angeht, kann die isentrope Enthalpie ΔH_is aus Gleichung (2) ausgehend von Gleichung (9) bestimmt werden: $Δ H_{i s} = H (P_{1}, T_{1}) - H (P_{2}, T_{t u r . o u t})$
wobei T_tur.out die Temperatur am Ausgang der Turbine 13 ist und diese Temperatur der Temperatur T_cond.in am Eingang des zweiten Bifluid-Tauschers 15 entspricht.
Die Bestimmung des Massendurchsatzes m und der isentropen Enthalpie ΔH_is in den Schritten 1002_a und 1002_b ermöglicht somit in einem Schritt 1002_c die Berechnung von W_is ausgehend von Gleichung (2).
Die von der Turbine 13 erzeugte Leistung W_tur wird dann in einem Schritt 1002_d aus der Gleichung (1) abgeleitet. Hinsichtlich der Drehgeschwindigkeit N_tur der Turbine aus der Gleichung (1), so kann diese ausgehend von der Temperatur und dem Druck am Eingang und am Ausgang der Turbine 13 bestimmt, gemessen oder geschätzt werden.
Entsprechend den verfügbaren Parametern sind somit die Behandlungsmittel der Steuereinheiten, wie etwa der ersten Steuereinheit 49, dazu ausgelegt, eine der oben beschriebenen Methoden anzuwenden, um die von der Turbine 13 erzeugte Leistung W_tur zu schätzen. Diese geschätzte Leistung wird anschließend in Schritt 1003 herangezogen, um zu bestimmen, ob die Rankine-Schleife 3 in Betrieb gesetzt oder angehalten werden muss.
Gemäß einer ersten Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, umfasst die Bestimmung der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife 3 einen ersten Schritt 1003_a zum Vergleichen der Schätzung der von der Turbine 13 erzeugten Leistung W_tur mit einem oder mehreren vorbestimmten Schwellenwerten. Dieser Schritt führt zur Inbetriebnahme der Rankine-Schleife 3 in einem Schritt 1003_b1 oder zur Unterbrechung der Rankine-Schleife 3 in einem Schritt 11003_b2.
Die erste Steuereinheit 49 steuert auch die erste Pumpe 7 der Rankine-Schleife 3 und kennt somit die von der ersten Pumpe 7 verbrauchte Leistung. Darüber hinaus kann die erste Steuereinheit 49 auch ausgehend von den verschiedenen gemessenen Parameter die Leistungen schätzen, die von dem Fluidzirkulationskreis 27 und insbesondere von der zweiten Pumpe 29 und dem Kühler 31 verbraucht werden, um den Betrieb der Rankine-Schleife 3 zu ermöglichen. Die erste Steuereinheit 49 kann somit die Nettoleistung schätzen, die von der Rankine-Schleife 3 erzeugt wird: $W_{r a n k} = W_{t u r} - W_{p p} - W_{p p . c i r} - W_{g m v . r a n k}$
wobei W_tur die Leistung der Turbine 13 ist, W_pp die Leistung der ersten Pumpe 7 ist, W_pp.cir die Leistung der zweiten Pumpe 29 ist und W_gmv.rank die von dem Kühler 31 verbrauchte Leistung ist, um die Rankine-Schleife 3 zu betreiben.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform, die in 6 gezeigt ist, umfasst die Bestimmung der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife 3 einen ersten Schritt 1003_a' zum Schätzen der Leistung W_rank, die von der Rankine-Schleife 3 erzeugt wird, und dann einen Schritt 1003_b' zum Vergleichen der geschätzten Leistung W_rank mit einem oder mehreren vorbestimmten Schwellenwerten. Dieser Schritt führt zur Inbetriebnahme der Rankine-Schleife 3 in einem Schritt 1003_c'1 oder zur Unterbrechung der Rankine-Schleife 3 in einem Schritt 1003_c'2.
Der Betrieb der Rankine-Schleife 3 beeinflusst jedoch den Betrieb der weiteren Elemente des Wärmemanagementkreises 1, so dass in Schritt 1003 weitere Parameter zur Bestimmung der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife 3 berücksichtigt werden können.
Es werden somit nun weitere Ausführungsformen des Bestimmungsschritts 1003 anhand der 7 und 8 beschrieben.
Die Leistungsangaben und insbesondere die Nettoleistung W_rank der Rankine-Schleife 3 und die von der Turbine erzeugte Leistung W_tur, die in Schritt 1002 von der ersten Steuereinheit bestimmt werden, werden zur allgemeinen Steuereinheit 53 geleitet.
Die zweite Steuereinheit 51 bestimmt ihrerseits die von der Klimatisierungsschleife 5 verbrauchte Leistung W_clim: $W_{c l i m} = W_{c o m p} + W_{g m v . c l i m}$
wobei W_comp die von dem Verdichter 19 verbrauchte Leistung ist und W_gmv.clim die von dem Kühler 31 verbrauchte Leistung ist, um die Klimatisierungsschleife 5 zu betreiben.
Der Wert dieser Leistung W_clim, die von der Klimatisierungsschleife 5 verbraucht wird, wird zur allgemeinen Steuereinheit 53 geleitet.
Die allgemeine Steuereinheit 53 kann dann die Nettoleistung W_net bestimmen, die von dem Wärmemanagementkreis 1 verbraucht werden kann: $W_{n e t} = W_{c l i m} - W_{r a n k} = W_{c o m p} - (W_{t u r} - W_{p p} - W_{p p . c i r}) + W_{g m v}$
mit W_gmv = max[W_gmv.rank, W_gmv.clim]
Gemäß einer dritten Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, umfasst die Bestimmung der Inbetriebnahme oder der Unterbrechung der Rankine-Schleife 3 nach Schritt 1003_a' zum Bestimmen der Leistung W_rank, die von der Rankine-Schleife 3 erzeugt wird, einen Schritt 1003_b" zum Bestimmen der Nettoleistung W_net des Wärmemanagementkreises 1, welche anschließend in einem Schritt 1003_c" mit vorbestimmten Schwellenwerten, beispielsweise x1 und x2 verglichen wir. Das Ergebnis der Vergleiche mit den Schwellenwerten x1 und x2 führt entweder zur Inbetriebnahme der Rankine-Schleife 3 in einem Schritt 1003_d"1, wenn beispielsweise die Nettoleistung W_net niedriger ist als x1, oder zur Unterbrechung der Rankine-Schleife 3 in einem Schritt 1003_d"2, wenn beispielsweise die Nettoleistung W_net höher ist als x2.
Gemäß einer vierten Ausführungsform, die in 8 dargestellt ist, wird auch der Druck P₃ des zweiten Kältefluids am Ausgang des Kondensators 21 berücksichtigt.
Nach den Schritten 1003_a' und 1003_b", in denen die von der Rankine-Schleife 3 erzeugte Leistung W_rank und die Nettoleistung W_net des Wärmemanagementkreises 1 geschätzt werden, vergleicht in diesem Fall die allgemeine Steuereinheit 53 in einem Schritt 1003_c'" nicht nur die Nettoleistung W_net mit den vorbestimmten Schwellenwerten x1 und x2, sondern auch die von der Rankine-Schleife 3 erzeugte Nettoleistung W_rank mit vorbestimmten Schwellenwerten, beispielsweise x3 und x4, und den Druck P₃ am Ausgang des Kondensators 21 mit vorbestimmten Schwellenwerten, beispielsweise x5, x6 und x7.
In Abhängigkeit von dem Ergebnis der in Schritt 1003_c'" durchgeführten Vergleiche entscheidet die allgemeine Steuereinheit 53 über die Inbetriebnahme der Rankine-Schleife 3 in einem Schritt 1003_d'"1, wenn beispielsweise die von dem Wärmemanagementkreis 1 verbrauchte Nettoleistung W_net niedriger ist als der erste vorbestimmte Schwellenwert x1, die Nettoleistung W_rank der Rankine-Schleife 3 höher ist als der dritte vorbestimmte Schwellenwert x3 und der Druck P₃ am Ausgang des Kondensators 21 niedriger ist als x5, oder die Unterbrechung der Rankine-Schleife 3 in einem Schritt 1003_d'''2, wenn beispielsweise die von dem Wärmemanagementkreis 1 verbrauchte Nettoleistung W_net höher ist als der zweite vorbestimmte Schwellenwert x2, oder die Verringerung der Leistung der ersten Pumpe 7 in einem Schritt 1003_d'"3, wenn beispielsweise der Druck P₃ am Ausgang des Kondensators 21 höher ist als der sechste vorbestimmte Schwellenwert x6 und die anderen Bedingungen für die Inbetriebnahme der Rankine-Schleife 3 erfüllt sind.
Mit der vierten Ausführungsform ist es somit möglich, Parameter wie den Druck P₃ des zweiten Kältefluids am Ausgang des Kondensators 21 zu berücksichtigen, wodurch ein ordnungsgemäßer Betrieb der Klimatisierungsschleife 5 gewährleistet werden kann, so dass der oder die Sollbefehle eingehalten werden können. Die ersten drei Ausführungsformen sind vereinfachte Ausführungsformen der vierten Ausführungsform, in denen die Anzahl der berücksichtigten Parameter bei der Bestimmung der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife 3 reduziert ist, die jedoch verglichen mit einem Kreis ohne Rankine-Schleife 3 oder mit einem Kreis, bei dem die Rankine-Schleife 3 permanent aktiv wäre, eine Optimierung des Energieverbrauchs des Wärmemanagementkreises ermöglichen.
Wenn Schritt 1003, insbesondere mit den Schritten 1003_b1, 1003_c'1, 1003_d"1 und 1003_d'"1 zur Inbetriebnahme der Rankine-Schleife 3 führt, bestimmt die allgemeine Steuereinheit 53 dann in einem Schritt 1004 die Betriebspunkte, mit denen der oder die Sollbefehle eingehalten werden können, wie in 9 gezeigt ist.
Wenn keinerlei Betriebspunkt die Einhaltung des oder der Sollbefehle ermöglicht, wählt die allgemeine Steuereinheit 53 in einem Schritt 1005 den Betriebspunkt aus, der einem oder mehreren Sollbefehlen am nächsten ist. Andernfalls wählt die allgemeine Steuereinheit 53 in einem Schritt 1006 den Betriebspunkt aus, an dem die von dem Wärmemanagementkreis 1 verbrauchte Nettoleistung W_net minimal ist.
Die Steuereinheit sendet dann einen Befehl zum Anwenden des ausgewählten Betriebspunkts zur ersten 49 und zur zweiten Steuereinheit 51, die dann in einem Schritt 1007 die empfangenen Befehle anwenden.
Die Bestimmung der vorbestimmten Schwellenwerte kann bei allen Ausführungsformen durch Versuche oder Simulation erfolgen. Es können in Abhängigkeit von einem vom Nutzer ausgewählten Modus verschiedene Schwellenwerte definiert werden.
Bei der oben vorgestellten vierten Ausführungsform können ferner die Unterschritte von Schritt 1003 zum Bestimmen der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife 3 unterschiedlich sein, je nachdem, ob die Rankine-Schleife 3 ursprünglich in Betrieb oder unterbrochen ist. Die Funktionsweise der vierten Ausführungsform kann somit wie folgt zusammengefasst werden:

Wenn die Rankine-Schleife 3 unterbrochen ist, werden die geschätzte Nettoleistung W_net mit einem Schwellenwert x1 und einem zweiten Schwellenwert x2, die geschätzte Nettoleistung W_rank der Rankine-Schleife mit einem dritten Schwellenwert x3 und der am Ausgang des Kondensators 21 gemessenen Druck P₃ mit einem vierten Schwellenwert x4 und einem fünften Schwellenwert x5 verglichen.

Wenn die Leistung W_net niedriger ist als x2 und die Leistung W_rank größer ist als x3 und der Druck p3 niedriger ist als x4, wird die Rankine-Schleife 3 aktiviert.
Wenn die Leistung W_net zwischen den Schwellenwerten x1 und x2 liegt und der Druck P₃ niedriger ist als der Schwellenwert x5, wird die Rankine-Schleife 3 aktiviert.
In den anderen Fällen bleibt die Rankine-Schleife 3 inaktiv.
Wenn die Rankine-Schleife 3 in Betrieb ist, werden die Nettoleistung W_net mit dem sechsten Schwellenwert x6 und der Druck p3 mit einem siebten x7 und einem achten vorbestimmten Schwellenwert x8 verglichen.
Wenn die Leistung W_net größer ist als x6, wird die Rankine-Schleife 3 deaktiviert.
Wenn die Rankine-Schleife 3 aktiviert bleibt und der Druck P₃ größer ist als x7, wird der Sollwert für die von der Rankine-Schleife 3 zu erzeugenden Leistung reduziert, was zu einer Verringerung der von der ersten Pumpe 7 verbrauchten Leistung und zu einer Verringerung der von der Turbine 13 erzeugten Leistung führt. Diese Verringerungen ermöglichen eine Absenkung der Temperatur T_cond.in am Eingang des zweiten Kondensators 21 und folglich eine Verringerung des Drucks P₃.
Wenn der Druck P₃ niedriger ist als der siebte Schwellenwert x8, werden die Betriebspunkte des Wärmemanagementkreises 1 bestimmt, die die Einhaltung des oder der Befehle des Nutzers ermöglichen,

- wenn kein Betriebspunkt die Einhaltung des oder der Befehle des Nutzer gestattet, wird der Betriebspunkt ausgewählt, der einem oder mehreren Befehlen des Nutzers am nächsten liegt,
- andernfalls wird der Betriebspunkt ausgewählt, bei dem die Differenz zwischen der von der Klimatisierungsschleife 5 verbrauchten Leistung W_clim und der von der Rankine-Schleife 3 erzeugten Nettoleistung W_rank am größten ist.

Wenn der Druck P₃ zwischen dem sechsten Schwellenwert x6 und dem siebten Schwellenwert x7 liegt, wird die Rankine-Schleife 3 in ihrem Zustand gehalten, d.h. der Sollwert für die zu erzeugende Leistung bleibt gleich.
Um die Erfindung besser zu verstehen, werden nun anhand der 10 und 11 die verschiedenen Vorgänge, die von der allgemeinen Steuereinheit 53 und der ersten Steuereinheit 49 bei der vierten Ausführungsform durchgeführt werden, nun ausführlich beschrieben.
10 zeigt die angesteuerten oder von der allgemeinen Steuereinheit 53 durchgeführten Schritte, wenn das Verfahren zur Ansteuerung des Wärmemanagementkreises 1 umgesetzt wird.
Der erste Schritt 101 betrifft das Senden durch die allgemeine Steuereinheit 53 eines oder mehrerer Befehle zur ersten 49 und zur zweiten Steuereinheit 51, um die Messungen der verschiedenen Betriebsparameter des Wärmemanagementkreises 1 anhand der verschiedenen Sensoren durchzuführen, die im Wärmemanagementkreis 1 verteilt sind (dies entspricht Schritt 1001).
Der zweite Schritt 102 betrifft das Empfangen durch die allgemeine Steuereinheit 53 der Schätzung der für die allgemeine Steuereinheit 53 entscheidenden Parameter von der ersten 49 und der zweiten Steuereinheit 51, zum Beispiel die Leistung W_clim, die Leistung W_rank und/oder die Leistung W_net und der Druck P₃. Alternativ können die erste 49 und die zweite Steuereinheit 51 die Messungen zur allgemeinen Steuereinheit 53 senden, die dann die entscheidenden Parameter berechnet (dies entspricht Schritt 1002).
Der dritte Schritt 103 betrifft die Bestimmung des Zustands der Rankine-Schleife 3 (im Betrieb oder im Stillstand).
Wenn sie aktiv ist, geht man zu Schritt 104 über, andernfalls geht man zu Schritt 109 über.
In Schritt 104 wird die Nettoleistung W_net des Wärmemanagementkreises mit dem Schwellenwert x6 verglichen. Wenn W_net höher ist als x6, geht man zu Schritt 114 über, und die Rankine-Schleife 3 wird deaktiviert. Andernfalls geht man zu Schritt 105 über, und der Druck P₃ wird mit x7 verglichen. Wenn P₃ niedriger ist als x8, geht man zu Schritt 113 über, und der gewünschte Sollwert wird bei der Rankine-Schleife 3 angewendet. Der gewünschte Sollwert dient beispielsweise dazu, die von der Rankine-Schleife 3 zu erzeugende Nettoleistung W_rank zu definieren und diesen Sollwert zur ersten Steuereinheit 49 zu leiten (dieser Sollwert kann ausgehend von den Schritten 1004 bis 1007 aus 9 bestimmt werden). Andernfalls geht man zu Schritt 106 über, bei dem der Druck P₃ mit dem Schwellenwert x7 verglichen wird. Wenn P₃ höher ist als x7, geht man zu Schritt 107 über, und der Sollwert der von der Rankine-Schleife 3 zu erzeugenden Leistung W_rank wird verringert. Andernfalls geht man zu Schritt 108 über, und der Wärmemanagementkreis wird im gleichen Zustand gehalten, d.h. mit den gleichen Sollwerten wie zuvor.
In Schritt 109 werden die Nettoleistung W_net des Wärmemanagementkreises mit dem Schwellenwert x1 und die von der Rankine-Schleife erzeugte Nettoleistung W_rank mit dem Schwellenwert x3 vergleichen. Wenn Pnet höher ist als x1 oder W_rank niedriger ist als x3, geht man zu Schritt 114 über, und die Rankine-Schleife 3 bleibt inaktiv. Andernfalls geht man zu Schritt 110 über, und W_net wird mit x2 verglichen. Wenn W_net niedriger ist als x2, geht man zu Schritt 111 über, andernfalls geht man zu Schritt 112 über.
In Schritt 111 wird der Druck P₃ mit dem Schwellenwert x4 verglichen, und wenn P₃ niedriger ist als x4, geht man zu Schritt 113 über, und die Rankine-Schleife 3 wird aktiviert.
In Schritt 112 wird P₃ mit dem Schwellenwert x5 verglichen. Wenn P₃ niedriger ist als x5, geht man zu Schritt 113 über, und die Rankine-Schleife 3 wird aktiviert, andernfalls geht man zu Schritt 114 über, und die Rankine-Schleife 3 bleibt inaktiv.
Die allgemeine Steuereinheit 53 empfängt somit die Messwerte und Schätzungen der verschiedenen Parameter der Rankine-Schleife 3 und der Klimatisierungsschleife 5 und bestimmt den oder die Befehle, die zur Rankine-Schleife 3 und zur Klimatisierungsschleife 5 zu senden sind, um den oder die Sollbefehle einhalten und den Energieverbrauch des Wärmemanagementkreises optimieren zu können. Einer der zu bestimmenden Befehle besteht darin, die Rankine-Schleife 3 in Betrieb zu setzen oder anzuhalten.
11 stellt die verschiedenen Schritte dar, die von der ersten Steuereinheit 49 der Rankine-Schleife 3 beim Umsetzen des Verfahrens zur Ansteuerung des Wärmemanagementkreises 1 durchgeführt werden.
Der erste Schritt 201 betrifft die Durchführung der Messungen der Parameter der Rankine-Schleife 3 (dies entspricht Schritt 1001). Diese Messungen werden im Allgemeinen nach dem Senden eines Befehls von der allgemeinen Steuereinheit 53 durchgeführt. Die Messungen und/oder die entscheidenden Parameter, die ausgehend von diesen Messungen bestimmt werden, werden zur allgemeinen Steuereinheit 53 geleitet.
Der zweite Schritt 202 betrifft das Empfangen des Sollwerts von der allgemeinen Steuereinheit 53, was die Aktivierung oder die Deaktivierung der Rankine-Schleife 3 betrifft. Dieser Befehl kann auch einen Sollwert der zu erzeugenden Nettoleistung W_rank oder einen Sollwert zur Maximierung der erzeugten Nettoleistung W_rank umfassen.
Wenn in Schritt 203 der Befehl der allgemeinen Steuereinheit 53 darin besteht, die Rankine-Schleife 3 zu aktivieren, geht man zu Schritt 204 über, andernfalls geht man zu Schritt 212 über.
Wenn in Schritt 204 die Rankine-Schleife 3 bereits aktiviert ist, geht man zu Schritt 205 über, andernfalls geht man zu Schritt 210 über.
Wenn in Schritt 205 der Befehl der allgemeinen Steuereinheit 53 eine Maximierung der Nettoleistung W_rank der Rankine-Schleife 3 verlangt, geht man zu Schritt 207 über, andernfalls geht man zu Schritt 206 über.
In Schritt 206 wird die Rankine-Schleife 3 so eingestellt, dass eine Nettoleistung W_rank erhalten wird, die dem Sollwert der abzugebenden Leistung entspricht und von der allgemeinen Steuereinheit 53 übertragen wird, und es wird zu Schritt 208 übergegangen.
In Schritt 207 werden die Sollwerte der Rankine-Schleife 3 so verändert, dass die von der Rankine-Schleife 3 erzeugte Nettoleistung W_rank optimiert ist. Dazu werden die erste Pumpe 7 und die Drehgeschwindigkeit N_tur der Turbine 13 angesteuert, um einen Expansionsgrad des ersten Kältefluids zu erhalten, das zunächst auf Höhe der Turbine 13 in Gasform vorliegt, so dass die Leistung W_rank optimiert werden kann. Anschließend geht man zu Schritt 208 über.
Schritt 208 betrifft die Schätzung der von der Rankine-Schleife 3 erzeugten Nettoleistung W_rank und somit die Schätzung der Leistung, die von dem ersten Bifluid-Tauscher 9 abgegeben wird. Mit dieser Schätzung kann die Wärmebelastung der Rankine-Schleife 3 auf den Kühler 31 berücksichtigt werden und somit die allgemeine Steuereinheit 53 den Sollwert der Rankine-Schleife 3 in Abhängigkeit von dem Sollbefehl bestimmen, der der Temperatur des Fahrgastraums zugeordnet ist, d.h. dem Sollbefehl für die Klimatisierungsschleife 5, da die allgemeine Steuereinheit die Kapazität des Kühlers 31 berücksichtigen muss, um den Betrieb der Klimatisierungsschleife 5 und der Rankine-Schleife 3 zu gewährleisten.
Schritt 209 betrifft das Senden der Schätzung der von der Rankine-Schleife 3 erzeugten Nettoleistung W_rank und gegebenenfalls anderer entscheidender Parameter zur allgemeinen Steuereinheit 53.
In Schritt 210 werden die Temperatur T_can auf Höhe der Leitung 11 mit einem neunten vorbestimmten Schwellenwert x9 und die Temperatur Text der Außenluft mit einem zehnten vorbestimmten Schwellenwert x10 verglichen. Diese Temperatur wird beispielsweise von der zweiten Steuereinheit 51 zur ersten Steuereinheit 49 geleitet.
Wenn T_can höher ist als x9 und Text kleiner ist als x10, geht man zu Schritt 205 über.
Andernfalls geht man zu Schritt 212 über, bei dem die Rankine-Schleife 3 deaktiviert wird. Wenn nämlich die Temperatur T_can höher ist als x9 oder die Temperatur Text höher ist als x10, werden die Bedingungen nicht erfüllt, damit die Rankine-Schleife 3 ausreichend Energie erzeugt, um rentabel zu sein.
Man geht dann zu Schritt 214 über, bei dem die Leistung der Rankine-Schleife 3 in Abhängigkeit von den verschiedenen gemessenen Parametern geschätzt wird, während sie unterbrochen, d.h. inaktiv ist. Die Werte der Schätzungen aus Schritt 214 werden dann in Schritt 209 zur allgemeinen Steuereinheit 53 übertragen.
Die erste Steuereinheit 49 führt somit die Messungen der Parameter der Rankine-Schleife 3 aus, wendet die von der allgemeinen Steuereinheit 53 gesendeten Sollwerte an und schickt der allgemeinen Steuereinheit die erforderlichen und entscheidenden Parameter, wie etwa die Nettoleistung W_rank, der Rankine-Schleife 3, zurück, um über die nächsten Sollwerte entscheiden zu können.
Darüber hinaus können bestimmte Funktionen, die von der ersten Steuereinheit 49 oder von der allgemeinen Steuereinheit 53 ausgeführt werden, von der einem oder der anderen der Steuereinheiten 49 und 53 ausgeführt werden. Der Vergleich des Drucks P₃ mit den Schwellenwerten x4 und x5 kann beispielsweise von der ersten Steuereinheit 49 ausgeführt werden, während die Schätzungen der Leistungen W_tur oder W_rank von der allgemeinen Steuereinheit 53 ausgeführt werden können
Die verschiedenen Schritte des Verfahrens, das oben ausgehend von den 3 bis 11 beschrieben ist, werden im Zeitverlauf wiederholt, um die Anpassung der Konfiguration des Wärmemanagementkreises 1 an die Veränderungen der verschiedenen Parameter und insbesondere eines oder mehrerer Sollbefehle des Nutzers oder der Außenbedingungen wie die Temperatur Text außerhalb des Fahrzeugs zu ermöglichen.
Mit den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann somit der Wärmemanagementkreis 1 angesteuert und insbesondere über die Aktivierung oder nicht-Aktivierung der Rankine-Schleife 3 in Abhängigkeit von der Schätzung der von der Rankine-Schleife 3 erzeugten Leistung in Abhängigkeit von den gemessenen Betriebsparametern entschieden werden. Die verschiedenen Ausführungsformen betreffen mehr oder weniger komplexe Ansteuerverfahren, mit denen entweder ein einfacher Betrieb, der Behandlungsmittel mit niedriger Leistung erfordert, oder ein komplexerer Betrieb erhalten werden kann, bei dem ein Maximum an Parametern berücksichtigt werden kann, die von der Inbetriebnahme oder der Unterbrechung der Rankine-Schleife 3 beeinflusst werden und den Gesamtwirkungsgrad des Wärmemanagementkreises 1 beeinflussen.
Somit ist es durch die Schätzung, in Abhängigkeit von den gemessenen Parametern, des jeweiligen Energieverbrauchs und der jeweiligen Energieerzeugung der verschiedenen Elemente eines Wärmemanagementkreises 1 mit einer Klimatisierungsschleife 5 und einer Rankine-Schleife 3 und unter Berücksichtigung des oder der Sollbefehle mit der vorliegenden Erfindung möglich, zu bestimmen, wie der Wärmemanagementkreis 1 anzusteuern ist, und insbesondere über die Aktivierung oder nicht-Aktivierung der Rankine-Schleife 3 zu entscheiden, so dass der Energieverbrauch des Wärmemanagementkreises 1 optimiert wird und dabei die Einhaltung eines Sollbefehls oder der Sollbefehle gewährleistet ist.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Kraftfahrzeug-Wärmemanagementkreises (1) in Abhängigkeit von mindestens einem Sollbefehl, wobei der Wärmemanagementkreis (1) Folgendes aufweist: - eine Schleife mit Rankine-Zyklus, die als Rankine-Schleife (3) bezeichnet wird und in der ein erstes Kältefluid zirkuliert, wobei die Rankine-Schleife (3) eine Turbine (13) aufweist, - eine Klimatisierungsschleife (5), in der ein zweites Kältefluid zirkuliert, - eine Fluidzirkulationsschleife (27), die die Klimatisierungsschleife (5) und die Rankine-Schleife (3) verbindet und in der ein erstes Wärmeträgerfluid zirkuliert, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - einen Schritt (1001) zum Messen mindestens eines Betriebsparameters des Wärmemanagementkreises (1), wobei die gemessenen Betriebsparameter die Drehgeschwindigkeit der Turbine (13), die Temperatur (T₁) und den Druck (P₁) des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine (13) umfassen, - einen Schritt (1002) zum Schätzen der von der Rankine-Schleife (3) erzeugten Leistung (W_tur, W_rank) in Abhängigkeit von dem mindestens einen gemessenen Parameter und dem mindestens einen Sollbefehl, der Folgendes umfasst: - einen Schritt (1002_a) zum Schätzen des Massendurchsatzes (m) des ersten Kältefluids, - einen Schritt (1002_b) zum Schätzen der isentropen Enthalpie (ΔH_is) des ersten Kältefluids ausgehend von der Temperatur (T₁) und dem Druck (P₁) des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine (13) und dem Verdichtungsverhältnis (τ) des ersten Kältefluids, - einen Schritt (1002_c) zum Berechnen der isentropen Leistung (W_is) ausgehend von dem geschätzten Massendurchsatz (m) und der geschätzten isentropen Enthalpie (ΔH_is) und - einen Schritt (1002_d) zum Berechnen der Turbinenleistung (W_tur) ausgehend von der isentropen Leistung (W_is), der Drehgeschwindigkeit (N_tur) der Turbine (13) und den Eigenschaften des ersten Kältefluids und der Turbine (13), und - einen Schritt (1003) zum Bestimmen der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife (3) in Abhängigkeit von der Schätzung der von der Rankine-Schleife (3) erzeugten Leistung (W_tur, W_rank).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Rankine-Schleife (3) eine erste Pumpe (7) aufweist und bei dem der Schritt (1002_a) zum Schätzen des Massendurchsatzes (m) des ersten Kältefluids Folgendes umfasst: - einen Schritt (1002_a1) zum Schätzen der Dichte des ersten Kältefluids am Eingang der ersten Pumpe (7) in Abhängigkeit von dem Druck (P₂) und der Temperatur (T₂) des ersten Kältefluids am Eingang der ersten Pumpe (7), - einen Schritt (1002_a2) zum Schätzen des Massendurchsatzes (m) ausgehend von der bestimmten Dichte (R₀) des ersten Kältefluids, des Volumens (V_p) der ersten Pumpe (7), der Drehgeschwindigkeit (N_p) der ersten Pumpe (7) und den Eigenschaften des ersten Kältefluids.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Rankine-Schleife (3) einen ersten Bifluid-Tauscher (9) aufweist, der über eine Leitung (11), in der ein zweites Wärmeträgerfluid zirkuliert, an einen Motorkühlkreis angeschlossen werden kann, und bei dem der Schritt (1002_a) zum Schätzen des Massendurchsatzes (m) des ersten Kältefluids Folgendes umfasst: - einen Schritt (1002_a3) zum Bestimmen der Leistung (W_eva) des ersten Bifluid-Tauschers (9) ausgehend von der Temperatur (T_can) des zweiten Wärmeträgerfluids in der Leitung (11) am Eingang des ersten Bifluid-Tauschers (9), der Sättigungstemperatur (T_{sat_w}) des ersten Kältefluids beim Druck (P₁) am Ausgang des ersten Bifluid-Tauschers (9) und den Eigenschaften des ersten Kältefluids und des ersten Bifluid-Tauschers (9), - einen Schritt (1002_a4) zum Bestimmen der Enthalpiedifferenz (ΔH_eva) zwischen dem Eingang und dem Ausgang des ersten Bifluid-Tauschers (9) in Abhängigkeit von den Temperaturen (T_eva.in, T₁) und dem Druck (P₁) am Eingang und am Ausgang des ersten Bifluid-Tauschers (9), - einen Schritt (1002_a5) zum Berechnen des Massendurchsatzes (m) des ersten Kältefluids ausgehend von der bestimmten Leistung (W_eva) des ersten Bifluid-Tauschers (9), der bestimmten Enthalpiedifferenz (ΔH_eva) und den Eigenschaften des ersten Kältefluids.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schätzen des Massendurchsatzes (m) des ersten Kältefluids Folgendes umfasst: - einen Schritt (1002_a6) zum Bestimmen der Leistung (W_cond) des zweiten Bifluid-Tauschers (15) ausgehend von der Sättigungstemperatur (T_{sat_w}) des ersten Kältefluids beim Druck (P₂) am Eingang des zweiten Bifluid-Tauschers (9) und den Eigenschaften des ersten Kältefluids und des zweiten Bifluid-Tauschers (15), - einen Schritt (1002_a7) zum Bestimmen der Enthalpiedifferenz (ΔH_cond) zwischen dem Eingang und dem Ausgang des zweiten Bifluid-Tauschers (15) in Abhängigkeit von den Temperaturen (T_cond.in, T₂) und dem Druck (P₂) am Eingang und am Ausgang des zweiten Bifluid-Tauschers (15), - einen Schritt (1002_a8) zum Berechnen des Massendurchsatzes (m) des ersten Kältefluids ausgehend von der bestimmten Leistung (W_cond) des zweiten Bifluid-Tauschers (15), der bestimmten Enthalpiedifferenz (ΔH_cond) und den Eigenschaften des ersten Kältefluids.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt (1002_a) zum Schätzen des Massendurchsatzes (m) des ersten Kältefluids Folgendes umfasst: - einen Schritt (1002_a9) zum Schätzen der Dichte des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine (13) in Abhängigkeit von dem Druck (P₁) und der Temperatur (T₁) des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine (13), - einen Schritt (1002_a10) zum Schätzen des Massendurchsatzes (m) ausgehend von der bestimmten Dichte (R₀) des ersten Kältefluids, dem Volumen (V_T) der Turbine (13), der Drehgeschwindigkeit (N_NT) der Turbine (13) und den Eigenschaften des ersten Kältefluids.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt (1003) zum Bestimmen der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife (3) Folgendes umfasst: - einen Schritt (1003_b") zum Bestimmen der von dem Wärmemanagementkreis (1) verbrauchten Nettoleistung (W_net), die der Differenz zwischen der von dem Wärmemanagementkreis (1) verbrauchten Leistung und der von der Rankine-Schleife (3) erzeugten Leistung (W_rank) entspricht, in Abhängigkeit von mindestens einem gemessenen Betriebsparameter und mindestens einem Sollbefehl, - einen Schritt (1003_c") zum Vergleichen der bestimmten von dem Wärmemanagementkreis (1) verbrauchten Nettoleistung (W_net) mit einem ersten (x1) und einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert (x2).
Verfahren nach Anspruch 6, das auch Folgendes umfasst: - einen Schritt (1003_d"1) für die Inbetriebnahme der Rankine-Schleife (3), wenn die bestimmte Nettoleistung (W_net), die von dem Wärmemanagementkreis (1) verbraucht wird, niedriger ist als der erste vorbestimmte Schwellenwert (x1), und - einen Schritt (1003_d"2) zum Unterbrechen der Rankine-Schleife (3), wenn die von dem Wärmemanagementkreis (1) verbrauchte Nettoleistung (W_net) höher ist als der zweite vorbestimmte Schwellenwert (x2).
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Klimatisierungsschleife einen Kondensator (21) aufweist, die gemessenen Betriebsparameter den Druck (p3) am Ausgang des Kondensators (21) umfassen und bei dem der Schritt (1003) zum Bestimmen der Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife (3) auch Folgendes umfasst: - einen Schritt (1003_c'") zum Vergleichen der geschätzten von der Rankine-Schleife (3) erzeugten Nettoleistung (W_rank) mit einem dritten (x3) und einem vierten vorbestimmten Schwellenwert (x4) und des Drucks (P₃) am Ausgang des Kondensators (21) mit einem fünften (x5), einem sechsten (x6) und einem siebten vorbestimmten Schwellenwert (x7).
Verfahren nach Anspruch 8, das auch Folgendes umfasst: - einen Schritt (1003_d'"1) für die Inbetriebnahme der Rankine-Schleife (3), wenn die von dem Wärmemanagementkreis (1) verbrauchte Nettoleistung (W_net) niedriger ist als der erste vorbestimmte Schwellenwert (x1), die Nettoleistung (W_rank) der Rankine-Schleife (3) höher ist als der dritte vorbestimmte Schwellenwert (x3) und der Druck (P₃) am Ausgang des Kondensators (21) niedriger ist als der fünfte Schwellenwert (x5), und - einen Schritt (1003_d'"2) zum Unterbrechen der Rankine-Schleife (3), wenn die von dem Wärmemanagementkreis (1) verbrauchte Nettoleistung (W_net) höher ist als der zweite vorbestimmte Schwellenwert (x2).
Verfahren nach Anspruch 6 oder 9, das auch Folgendes umfasst, wenn die Rankine-Schleife (3) in Betrieb ist: - einen Schritt (1004) zum Bestimmen der Betriebspunkte des Wärmemanagementkreises (1), mit denen der oder die Sollbefehle eingehalten werden können, wenn kein Betriebspunkt die Einhaltung des bzw. der Sollbefehle ermöglicht, - einen Schritt (1005) zum Auswählen des Betriebspunkts, der einem oder den Sollbefehlen am nächsten kommt, andernfalls - einen Schritt (1006) zum Auswählen des Betriebspunkts, bei dem die von dem Wärmemanagementkreis (1) verbrauchte Nettoleistung (W_net) minimal ist, und - einen Schritt (1007) zum Anwenden des ausgewählten Betriebspunkts.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Rankine-Schleife (3) eine erste Pumpe (7) aufweist, wobei das Verfahren auch Folgendes umfasst: - einen Schritt (1003_d'''3) zum Reduzieren der Leistung der ersten Pumpe (7), wenn die Rankine-Schleife (3) in Betrieb ist und der Druck (P₃) am Ausgang des Kondensators (21) höher ist als der sechste vorbestimmte Schwellenwert (x6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, das auch Folgendes umfasst: - einen Schritt (1004) zum Bestimmen der Betriebspunkte des Wärmemanagementkreises (1), bei denen der bzw. die Sollbefehle eingehalten werden können, wenn die Rankine-Schleife (3) in Betrieb ist und der Druck (P₃) am Ausgang des Kondensators (21) niedriger ist als der siebte vorbestimmte Schwellenwert (x7), wenn kein Betriebspunkt die Einhaltung des bzw. der Sollbefehle ermöglicht - einen Schritt (1005) zum Auswählen des Betriebspunkts, der einem oder den Sollbefehlen am nächsten kommt, andernfalls - einen Schritt (1006) zum Auswählen des Betriebspunkts, bei dem die von dem Wärmemanagementkreis (1) verbrauchte Nettoleistung (W_net) minimal ist, und - einen Schritt (1007) zum Anwenden des ausgewählten Betriebspunkts.
Kraftfahrzeug-Wärmemanagementkreis (1), der Folgendes aufweist: - eine Schleife mit Rankine-Zyklus, die als Rankine-Schleife (3) bezeichnet wird und in der ein erstes Kältefluid zirkuliert, wobei die Rankine-Schleife (3) eine Turbine (13) aufweist, - eine Klimatisierungsschleife (5), in der ein zweites Kältefluid zirkuliert, - eine Fluidzirkulationsschleife (27), die die Klimatisierungsschleife (5) und die Rankine-Schleife (3) verbindet und in der ein erstes Wärmeträgerfluid zirkuliert, - Mittel zum Messen mindestens eines Betriebsparameters des Wärmemanagementkreises, wobei die gemessenen Betriebsparameter die Drehgeschwindigkeit der Turbine (13), die Temperatur (T₁) und den Druck (P₁) des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine (13) umfassen, - Behandlungsmittel, die mit den Messmitteln verbunden und dazu ausgelegt sind: - mindestens einen Sollbefehl zu empfangen, - die von der Rankine-Schleife (3) erzeugte Leistung (W_tur, W_rank) in Abhängigkeit von mindestens einem gemessenen Parameter und dem mindestens einen Sollbefehl zu schätzen, wobei dies Folgendes umfasst: - einen Schritt (1002_a) zum Schätzen des Massendurchsatzes (m) des ersten Kältefluids, - einen Schritt (1002_b) zum Schätzen der isentropen Enthalpie (ΔH_is) des ersten Kältefluids ausgehend von der Temperatur (T₁) und dem Druck (P₁) des ersten Kältefluids am Eingang der Turbine (13) und dem Verdichtungsverhältnis (τ) des ersten Kältefluids, - einen Schritt (1002_c) zum Berechnen der isentropen Leistung (W_is) ausgehend von dem geschätzten Massendurchsatz (m) und der geschätzten isentropen Enthalpie (ΔH_is) und - einen Schritt (1002_d) zum Berechnen der Turbinenleistung (W_tur) ausgehend von der isentropen Leistung (W_is), der Drehgeschwindigkeit (N_tur) der Turbine (13) und den Eigenschaften des ersten Kältefluids und der Turbine (13), - und wobei die Behandlungsmittel weiterhin dazu ausgelegt sind, die Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife (3) in Abhängigkeit von der Schätzung der von der Rankine-Schleife (3) erzeugten Leistung (W_tur, W_rank) zu bestimmen.
Wärmemanagementkreis (1) nach Anspruch 13, bei dem die Rankine-Schleife (3) Folgendes aufweist: - eine erste Pumpe (7), - einen ersten Bifluid-Tauscher (9), der über eine Leitung (11), in der ein zweites Wärmeträgerfluid zirkuliert, an einen Motorkühlkreis angeschlossen werden kann, - einen zweiten Bifluid-Tauscher (15).
Wärmemanagementkreis (1) nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die Klimatisierungsschleife (5) Folgendes aufweist: - einen Verdichter (19), - einen Kondensator (21), der stromabwärts des Verdichters (19) angeordnet ist, - einen Druckminderer (23), der stromabwärts des Kondensators (21) angeordnet ist, - einen Verdampfer (25), der stromabwärts des Druckminderers (23) angeordnet ist.
Wärmemanagementkreis (1) nach den Ansprüchen 14 und 15, bei dem die Fluidzirkulationsschleife (27) eine zweite Pumpe (29) und einen mit einem Lüfter ausgestatteten Kühler (31) aufweist, wobei die Fluidzirkulationsschleife (27) über den Kondensator (21) mit der Klimatisierungsschleife und über den zweiten Bifluid-Tauscher (15) mit der Rankine-Schleife (3) verbunden ist.
Wärmemanagementkreis (1) nach Anspruch 16, bei dem die Rankine-Schleife (3) auch einen Unterkühlungstauscher (17) aufweist, der stromabwärts des zweiten Bifluid-Tauschers (15) angeordnet und mit der Fluidzirkulationsschleife (27) verbunden ist.
Wärmemanagementkreis (1) nach Anspruch 16, bei dem die Fluidzirkulationsschleife (27) auch einen Dreiwege-Verbinder (33) aufweist, der stromabwärts des Kühlers (31) angeordnet und einerseits mit dem Kondensator (21) und andererseits mit den Unterkühlungstauscher (17) verbunden ist.
Wärmemanagementkreis (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem die Behandlungsmittel auch dazu ausgelegt sind, die folgenden Schritte auszuführen: - Bestimmen der von der Rankine-Schleife (3) erzeugten Nettoleistung (W_rank), der von dem Wärmemanagementkreis (1) verbrauchten Nettoleistung (W_net), - Vergleichen der von der Rankine-Schleife (3) erzeugten Nettoleistung (W_rank), der von dem Wärmemanagementkreis (1) verbrauchten Nettoleistung (W_net) und dem Druck (P₃) am Ausgang des Kondensators (21) mit vorbestimmten Schwellenwerten und - Entscheiden über die Inbetriebnahme oder Unterbrechung der Rankine-Schleife (3) in Abhängigkeit von den Ergebnissen des Vergleichsschritts.
Wärmemanagementkreis (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem die Behandlungsmittel auch dazu ausgelegt sind, die Betriebspunkte des Wärmemanagementkreises (1) in Abhängigkeit von dem oder den Sollbefehlen zu bestimmen.
Wärmemanagementkreis (1) nach Anspruch 20, bei dem ein Betriebspunkt die Leistung der ersten Pumpe (7), die Leistung des Verdichters (19) und die Drehgeschwindigkeit des Lüfters des Kühlers (31) umfasst und bei dem die Behandlungsmittel dazu ausgelegt sind, die Leistung der ersten Pumpe (7), die Leistung des Verdichters (19) und die Drehgeschwindigkeit des Lüfters des Kühlers (31) anzusteuern.