DE102015218825A1 - Steuerungssystem zur Klimatisierung eines Fahrzeugs - Google Patents

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Robert HERBOLZHEIMER
Oliver Horn
Patrick Oswald
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Abstract

Es wird ein Steuerungssystem (22) angegeben, zur Klimatisierung eines Fahrzeugs mittels eines Wärmepumpensystems (2), wobei eine Klimatisierungsanforderung für einen Fahrgastraum (10) des Fahrzeugs dadurch bedient wird, dass in Abhängigkeit der Klimatisierungsanforderung automatisch einer von mehreren Betriebsmodi (BM) eingestellt wird. Das Steuerungssystem (22) ermöglicht eine besonders geeignete Verschaltung des Wärmepumpensystems (2) und einen besonders energieeffizienten, robusten und geräuscharmen Betrieb. Der Fahrgastraum (10) wird mittels eines Klima-Verdampfers (12) gekühlt, falls die Klimatisierungsanforderung eine Kühlanforderung umfasst und/oder wird mittels eines Heizungswärmetauschers (14) beheizt, falls die Klimatisierungsanforderung eine Heizanforderung umfasst. Der Heizungswärmetauscher (14) ist in einem Heizzweig (24) eines Kühlmittelkreislaufs (6) angeordnet und wird über eine Wärmepumpe mit Wärme versorgt. Im Falle einer Kühlanforderung ohne eine zusätzliche Heizanforderung wird der Heizzweig (24) geöffnet und die Wärmepumpe deaktiviert. Im Falle einer Heizanforderung ohne eine zusätzliche Kühlanforderung wird der Heizzweig (24) geschlossen und dem Heizungswärmetauscher (14) über die Wärmepumpe, über den Kühlzweig (33) und/oder durch Wärmeaufnahme über den NT-Kühler (44) Wärme zugeführt. Zur Wärmeabfuhr aus dem Heizzweig (24) wird dieser geöffnet und der NT-Kühler (44), der Kondensator (26) und der Heizungswärmetauscher (14) werden in Serie geschaltet betrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem zur Klimatisierung eines Fahrzeugs.
  • Ein Steuerungssystem zur Klimatisierung eines Fahrzeugs dient üblicherweise der situationsabhängigen Kühlung und/oder Beheizung beispielsweise einer Fahrzeugkomponente oder des Fahrgastraums des Fahrzeugs. Die Klimatisierung erfolgt dabei häufig mittels eines Wärmepumpensystems, das vom Steuerungssystem gesteuert und/oder geregelt wird.
  • Ein Wärmepumpensystem ist beispielsweise in der auf die Anmelderin zurückgehenden, unveröffentlichten Anmeldung DE 10 2014 217 960 beschrieben.
  • Allgemein ergibt sich bei Elektrofahrzeugen oder auch Hybridfahrzeugen das Problem, dass ein durchgängig Wärme produzierender Verbrennungsmotor und ein dazugehöriger Hochtemperaturkühlkreis zumeist nicht vorhanden sind und die zum Erwärmen von Kühlmittel benötigte Wärme zum Heizen des Fahrgastraums des Fahrzeugs aus einer anderen Quelle entnommen werden muss. Das auf diese Weise erwärmte Kühlmittel weist zumeist jedoch ein zu geringes Temperaturniveau auf, sodass häufig ein Wärmepumpensystem verwendet werden muss, um das Kühlmittel auf ein hinreichendes Temperaturniveau zu befördern. Als Wärmequellen bieten sich insbesondere elektrische Leistungskomponenten an, die üblicherweise im Kühlmittelkreislauf, d.h. insbesondere einem Niedertemperaturkreis oder auch einfach nur Kühlkreislauf angeordnet sind, beispielsweise eine elektrische Antriebsmaschine, d.h. ein Elektromotor, oder auch elektrische Leistungskomponenten, wie beispielsweise Wechselrichter, Gleichstromwandler, Ladeelektronik oder dergleichen. Unter Umständen ist auch eine Nutzung von Abwärme eines Hochvoltspeichers, d.h. einer Batterie zur Versorgung der Antriebsmaschine des Fahrzeuges möglich.
  • Die verschiedenen Wärmequellen müssen jedoch typischerweise jeweils separat eingebunden werden, wodurch sich eine komplexe Verschaltung ergibt. Besonders unter dem Aspekt der Innenraumklimatisierung bedingen üblicherweise verschiedene Betriebszustände entsprechende Einstellungen, in welchen die Wärme jeweils unterschiedlich entweder in den Fahrgastraum und/oder an die Umgebung geleitet werden soll, wodurch wiederum eine Vielzahl an Ventilen, insbesondere komplexen Ventilen benötigt wird sowie eine aufwändige Steuerung und Regelung. Dies führt besonders bei Elektrofahrzeugen zu einem hohen Aufwand, da hier, wie oben beschrieben, insgesamt weniger Wärme zur Verfügung steht, deren effiziente Verteilung dann umso kritischer ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Steuerungssystem zur Klimatisierung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs anzugeben, welches ein Kühlen sowie ein Heizen eines Fahrgastraums des Fahrzeugs ermöglicht und dabei einen möglichst effizienten, möglichst stabilen sowie möglichst geräuscharmen Betrieb gewährleistet.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Steuerungssystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Durch das Steuerungssystem wird insbesondere auch ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmepumpensystems realisiert. Die im Zusammenhang mit dem Steuerungssystem genannten Weiterbildungen und Vorteile gelten dann sinngemäß auch für dieses Verfahren sowie für das Wärmepumpensystem und umgekehrt.
  • Das Steuerungssystem dient der Klimatisierung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, und ist dazu insbesondere mit einem Wärmepumpensystem kombiniert, d.h. vorzugsweise verbunden. Darunter wird insbesondere verstanden, dass das Steuerungssystems mittels einer Anzahl von Stellgliedern das Wärmepumpensystem manipuliert und einstellt. Das Wärmepumpensystem weist insbesondere eine Anzahl von Komponenten zur Klimatisierung des Fahrzeugs auf. Diese Komponenten werden dann durch das Steuerungssystem gesteuert und/oder geregelt und sind in diesem Zusammenhang insbesondere Stellglieder des Steuerungssystems. In diesem Sinne wird mittels des Steuerungssystems das Fahrzeug klimatisiert, indem das Steuerungssystem das Wärmepumpensystem steuert und/oder regelt.
  • Dabei wird eine Klimatisierungsanforderung für einen Fahrgastraum des Fahrzeugs dadurch bedient, dass in Abhängigkeit der Klimatisierungsanforderung einer von mehreren Betriebsmodi eingestellt wird, d.h. ein geeigneter von mehreren Betriebsmodi oder auch Betriebszuständen eingenommen wird. Falls die Klimatisierungsanforderung eine Kühlanforderung oder eine Entfeuchtungsanforderung umfasst, wird der Fahrgastraum mittels eines Klima-Verdampfers gekühlt. Falls die Klimatisierungsanforderung eine Heizanforderung umfasst wird der Fahrgastraum mittels eines Heizungswärmetauschers beheizt. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass gleichzeitig sowohl eine Heizanforderung als auch eine Kühlanforderung vorliegen, insbesondere beim Entfeuchten.
  • Der Heizungswärmetauscher ist in einem Heizzweig eines Kühlmittelkreislaufs angeordnet und wird über eine Wärmepumpe mit Wärme versorgt. Diese weist einen Chiller und einen Kondensator, alternativ einen Gaskühler auf, welche beide an einen Kältekreis angeschlossen sind, wobei der Chiller in einem Kühlzweig des Kühlmittelkreislaufs angeordnet ist und der Kondensator im Heizzweig. Im Falle einer Kühlanforderung ohne eine zusätzliche Heizanforderung wird der Heizzweig geöffnet, der Chiller der Wärmepumpe deaktiviert und auf diese Weise ein Kühlbetrieb realisiert, d.h. insbesondere eingestellt. Im Falle einer Heizanforderung ohne eine zusätzliche Kühlanforderung wird der Heizzweig geschlossen, dem Heizungswärmetauscher über den Kondensator der Wärmepumpe, über den Kühlzweig und/oder durch Wärmeaufnahme über den NT-Kühler Wärme zugeführt und auf diese Weise ein Heizbetrieb realisiert. Der Heizbetrieb und der Kühlbetrieb sind jeweils ein Betriebsmodus. Zur Wärmeabfuhr aus dem Heizzweig wird dieser geöffnet und der NT-Kühler, der Kondensator und der Heizungswärmetauscher werden in Serie geschaltet betrieben.
  • Das Steuerungssystem ermöglicht einen Betrieb des Wärmepumpensystems in diversen Betriebsmodi, zur optimalen Klimatisierung des Fahrzeugs in einer gegebenen Situation, d.h. bei gegebener Klimatisierungsanforderung. Die unterschiedlichen Betriebsmodi werden durch eine Steuerung und/oder Regelung der einzelnen Komponenten des Wärmepumpensystems eingestellt. Diese Komponenten sind insbesondere der Heizzweig, der Klima-Verdampfer und die Wärmepumpe. Das Steuerungssystem ist dabei nicht auf eine Manipulation dieser Komponenten beschränkt. Zudem wird hier und im Folgenden unter dem Begriff Steuerungssystem auch ein Regelungssystem oder Steuerungs- und Regelungssystem verstanden, d.h. das Steuerungssystem ist nicht ausschließlich zur Steuerung ausgelegt, sondern ggf. auch zur Regelung.
  • Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht insbesondere darin, dass ein mittels des Steuerungssystems betriebenes Wärmepumpensystem besonders energieeffizient, robust und geräuscharm betrieben wird.
  • Demnach erfolgt die Klimatisierung bei Verwendung des Steuerungssystems besonders energieeffizient, robust und geräuscharm. Dabei ermöglicht das Steuerungssystem einen besonders energieeffizienten Betrieb des Wärmepumpensystems insbesondere dadurch, dass in einer gegebenen Klimatisierungssituation, welche durch diverse Kühl- und Heizanforderungen charakterisiert ist, automatisch ein geeigneter Betriebsmodus eingestellt wird, wobei unter „Einstellen eines Betriebsmodus“ oder auch „Umschalten zwischen den Betriebsmodi“ verstanden wird, dass die gesteuerten und geregelten Komponenten entsprechend der Umstände und Anforderungen durch das Steuerungssystem eingestellt werden, wodurch dann insgesamt zu einem gegebenen Zeitpunkt ein bestimmter Betriebsmodus automatisch eingestellt und realisiert ist. Mit anderen Worten: aufgrund der Einstellung der Komponenten des Wärmepumpensystems durch das Steuerungssystem ergibt sich automatisch ein jeweiliger Betriebsmodus. Ein jeweiliger Betriebsmodus ist somit dann insbesondere durch jeweilige Schaltzustände der einzelnen gesteuerten und/oder geregelten Komponenten definiert und eine Folge der Einstellung diese Komponenten. Der Betriebsmodus ergibt sich also durch das Einstellen der Komponenten und nicht andersherum.
  • Zudem werden die einzelnen Komponenten besonders effizient gesteuert und/oder geregelt. Die insgesamt durch das spezielle Steuern und Regeln der einzelnen Komponenten des Wärmepumpensystems erzielten quasi gleitenden Übergänge zwischen den diversen Betriebsmodi gewährleisten dann einen besonders robusten und stabilen Betrieb, insbesondere ohne Wartezeiten und Störgeräusche beim Umschalten, d.h. beim Einstellen eines anderen Betriebsmodus. Ein besonders geräuscharmer Betrieb wird dann insbesondere dadurch realisiert, dass auf eine Umkehr der jeweiligen Strömungsrichtung des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf und des Kältemittels im Kältekreis verzichtet wird. Zudem ist auch die Anzahl an Schaltventilen gegenüber herkömmlichen Wärmepumpensystemen deutlich reduziert, sodass das Wärmepumpensystem einerseits besonders kostengünstig ist und andererseits auch dessen Akustik im Betrieb deutlich verbessert ist, insbesondere aufgrund einer reduzierten Anzahl an Schaltvorgängen.
  • Ein weiterer mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht insbesondere darin, dass durch eine Verwendung des Steuerungssystem eine spezielle Verschaltung der diversen Komponenten des Wärmepumpensystems ermöglicht ist, welche zu einem besonders effizienten Betrieb führt. Wesentlich ist hierbei insbesondere der serielle Betrieb des Heizungswärmetauschers und des Kondensators im Heizzweig in Kombination mit dem seriellen Betrieb bezüglich des NT-Kühlers. In dieser Konfiguration wird der Heizungswärmetauscher insbesondere permanent von Kühlmittel durchströmt, welches mittels des Kondensators erwärmt wird, sodass ein üblicherweise teures Umschaltventil zur Umleitung des Kühlmittels zum Heizungswärmetauscher nicht benötigt wird und daher vorzugsweise auf ein solches auch verzichtet wird. Zur Beheizung des Fahrgastraums mittels des Heizungswärmetauschers wird der Heizzweig üblicherweise abgesperrt und insbesondere nur dann geöffnet, wenn ein Wärmeüberschuss vorliegt, d.h. im Kühlmittelkreis mehr Wärme vorhanden ist, als zur Innenraumbeheizung benötigt wird. In diesem Fall wird Wärme zusätzlich abgeführt, indem Kühlmittel aus dem Heizzweig über den NT-Kühler geführt wird. Liegt kein Wärmeüberschuss vor, wird der Heizzweig abgesperrt betrieben, sodass die Wärmeabfuhr ausschließlich am Heizungswärmetauscher zum Zweck der Innenraumbeheizung erfolgt.
  • Insgesamt wird das Verhalten des Wärmepumpensystem maßgeblich durch die Klimatisierungsanforderung bestimmt, welche beispielsweise eine konkrete Nutzereingabe über ein Bedienelement des Steuerungssystems umfasst und/oder Umgebungsbedingungen berücksichtigt, welche mittels geeigneter Sensoren des Steuerungssystems ermittelt werden, beispielsweise Temperatursensoren zur Messung der Außentemperatur oder der Temperatur im Innernaum des Fahrzeugs, der Temperatur eines Hochvoltspeichers des Fahrzeugs oder an bestimmten Stellen des Wärmepumpensystems. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Klimatisierungsanforderung an das Wärmepumpensteuerungssystem von einem übergeordneten Steuerungssystem, beispielsweise einer Klimatisierungsfunktionslogik bestimmt wird. Das hier beschriebene Steuerungssystem ist dabei dann insbesondere ein Subsystem des übergeordneten Steuerungssystems. Von besonderer Bedeutung sind eine Klimatisierungsanforderung bezüglich des Fahrgastraums, eine Heizanforderung des Nutzers, bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug eine Klimatisierungsanforderung bezüglich des Hochvoltspeichers sowie die Außentemperatur als Ausdruck der Witterung und der Umgebungsverhältnisse. Dabei erfolgt eine automatische, bedarfsgerecht und optimale Steuerung und Regelung der einzelnen Komponenten und des gesamten Wärmepumpensystems an sich durch eine geeignete Verknüpfung der Klimatisierungsanforderung in Form von vorgegebenen und/oder ermittelten Parametern, welche die Klimatisierungsanforderung beschreiben, mit geeigneten Steuer- und Regelkonzepten zur Manipulation des Wärmepumpensystems. Dabei kann grundsätzlich das gesamte Wärmepumpensystem als Teil des Steuerungssystems angesehen werden, zumindest sind jedoch einzelne Komponenten des Wärmepumpensystems ein Teil des Steuerungssystems.
  • Der Kühlmittelkreislauf ist insbesondere ein Kühlkreis, in welchem ein Kühlmittel zirkuliert beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch. Der Kühlmittelkreislauf umfasst geeigneterweise mehrere, insbesondere drei Abschnitte, die an zwei Verzweigungen miteinander verbunden sind. Auf dem ersten Abschnitt ist dann der NT-Kühler angeordnet, der zweite Abschnitt umfasst den Heizzweig, welcher über einen Vorlauf und einen Rücklauf mit dem ersten Abschnitt verbunden ist, wobei der Vorlauf und der Rücklauf hierbei insbesondere ebenfalls Teile des zweiten Abschnitts sind. Der dritte Abschnitt ist dann der Kühlzweig für Fahrzeugkomponenten. Stromab des ersten Abschnitts ist insbesondere eine der Verzweigungen als erste Verzweigung angeordnet. An dieser ersten Verzweigung beginnen der Vorlauf des Heizzweigs und der Kühlzweig. Stromab der beiden Zweige werden der Kühlzweig und der Rücklauf des Heizzweigs an der anderen Verzweigung als zweite Verzweigung zusammengeführt und münden gemeinsam in den ersten Abschnitt.
  • Im Kältekreis ist ein Verdichter angeordnet, zum Verdichten von Kältemittel, wodurch dieses auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird. Dabei ist der Verdichter stromab des Klima-Verdampfers und des Chillers angeordnet sowie stromauf des Kondensators. Der Verdichter ist insbesondere ein sogenannter elektrischer Kältemittelverdichter, kurz EKMV. Je nach verwendetem Kältemittel wird unter Kondensator ganz allgemein ein Wärmetauscher zur Wärmeabgabe aus dem Kältekreis verstanden. Entsprechend wird dann beispielsweise bei Verwendung von CO2, auch als R744 bezeichnet, ein Gaskühler anstelle eines herkömmlichen Kondensators verwendet. Weiterhin ist im Kältekreis stromauf des Klima-Verdampfers ein Ventil angeordnet, das beim insbesondere reinen Heizbetrieb, d.h. beim ausschließlichen Heizbetrieb geschlossen ist und beim Kühlbetrieb als Expansionsorgan dient. Das Expansionsorgan ist vorzugsweise ein besonders kostengünstiges thermisches Expansionsventil, kurz TxV.
  • Ein Fahrzeug, welches als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgestaltet ist, weist zum Antrieb regelmäßig einen Hochvoltspeicher auf, welcher dann ebenfalls zur Klimatisierungsanforderung beiträgt und beispielsweise gekühlt oder geheizt werden soll. In einer möglichen Ausgestaltung ist der Hochvoltspeicher dann an den Kältekreis angeschlossen, d.h. der Hochvoltspeicher ist über einen HVS-Verdampfer thermisch an den Kältekreis angeschlossen, zur Wärmeabgabe an den Kältekreis.
  • Dieser HVS-Verdampfer ist dann zweckmäßigerweise im Kältekreis parallel zum Chiller geschaltet und dient auf diese Weise bei einer Kühlanforderung bezüglich des Hochvoltspeichers als zusätzliche oder alternative Wärmequelle im Kältekreis. Besonders im Falle einer Kühlanforderung am Hochvoltspeicher, d.h. bei einer HVS-Kühlanforderung und einer Heizanforderung wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung zunächst auf eine Aktivierung des Chillers verzichtet und stattdessen mittels des Kondensators Abwärme des Hochvoltspeichers zum Heizungswärmetauscher geführt. Dem HVS-Verdampfer ist ein Expansionsorgan, vorzugsweise ein kostengünstiges thermisches Expansionsventil, d.h. ein TxV vorgeschaltet. Denkbar ist allerdings auch eine Variante, bei welcher der Hochvoltspeicher kühlmittelgekühlt ist, d.h. an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist. insbesondere an den Kühlzweig.
  • Der Kondensator der Wärmepumpe ist insbesondere als wassergekühlter Kondensator ausgebildet und weist einen Kältemittel-Kondensator und einen Kondensator-Wärmetauscher auf, die miteinander thermisch gekoppelt sind. Dabei ist der Kältemittel-Kondensator an den Kältekreis angeschlossen und der Kondensator-Wärmetauscher an den Kühlmittelkreislauf. Der Chiller weist einen Kältemittel-Verdampfer und einen Chiller-Wärmetauscher auf, die miteinander thermisch gekoppelt sind, wobei der Kältemittel-Verdampfer an den Kältekreis angeschlossen ist und der Chiller-Wärmetauscher an den Kühlmittelkreislauf.
  • Die Wärmepumpe entnimmt Wärme zweckmäßigerweise über den NT-Kühler aus der Umgebung des Fahrzeugs und/oder von der Fahrzeugkomponente aus dem Kühlzweig. Dazu sind der NT-Kühler, die zumindest eine Fahrzeugkomponente und der Chiller insbesondere zueinander in Serie geschaltet, wobei der Chiller vorzugsweise stromab der zu kühlenden Fahrzeugkomponenten und in räumlicher Nähe zu dieser angeordnet ist, um eine möglichst effiziente Wärmeübertragung von der zu kühlenden Fahrzeugkomponente zum Chiller zu erzielen. Die Fahrzeugkomponente ist beispielsweise eine Leistungselektronik, ein Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs oder ein Hochvoltspeicher zur Energieversorgung. Eine jeweilige zu kühlende Fahrzeugkomponente ist üblicherweise über einen geeigneten Wärmetauscher mit dem Kühlmittelkreis thermisch gekoppelt, um an das Kühlmittel Wärme abzugeben.
  • Im Folgenden werden als vorteilhafte Ausgestaltungen diverse Steuerungs- und Regelkonzepte für verschiedene Komponenten des Wärmesystems beschrieben, um dieses automatisch und kontinuierlich zwischen den diversen Betriebsmodi umzuschalten, d.h. je nach Anforderung einen geeigneten Betriebsmodus zu realisieren. Dabei sind die einzelnen Konzepte zunächst jeweils für sich genommen schon vorteilhaft und werden daher unabhängig voneinander als erfinderisch angesehen. Bei der Kombination mehrerer der diversen Konzepte ergibt sich jedoch zumindest ein zusätzlicher Vorteil insbesondere dadurch, dass die verschiedenen Konzepte teilweise auf dieselben Führungs-, Stell-, Steuer- und/oder Regelgrößen zugreifen und auf diese Weise ein besonders effizientes Gesamtkonzept zur Steuerung und Regelung des Wärmepumpensystems bilden.
  • Grundsätzlich werden zur Klimatisierung in unterschiedlichen Situationen mit entsprechend unterschiedlichen Klimatisierungsanforderungen zumindest ein Kühlbetrieb, auch Sommerbetrieb genannt, und ein Heizbetrieb, auch Winterbetrieb genannt, automatisch eingestellt. Unter automatisch wird dabei insbesondere verstanden, dass das Einstellen direkt und vorrangig in Abhängigkeit einer konkreten Klimatisierungsanforderung erfolgt. Darüber hinaus sind vorzugsweise zusätzlich noch eine Anzahl von Mischbetrieben als Übergangsbetriebe zwischen dem Kühl- und dem Heizbetrieb verfügbar, d.h. zusätzlich zu dem Kühlbetrieb und dem Heizbetrieb ist das Wärmepumpensystem dann noch in einer Anzahl von Mischbetrieben betreibbar und wird je nach Klimatisierungsanforderung auch in diesen betrieben.
  • Der Kühlbetrieb ergibt sich insbesondere bei der Bedienung einer reinen, d.h. ausschließlichen Kühlanforderung, d.h. es erfolgt eine Wärmeaufnahme lediglich über den Klima-Verdampfer. In einer Variante erfolgt eine Wärmeaufnahme zusätzlich oder insbesondere alternativ über den HVS-Verdampfer. Dabei wird die Wärmepumpe deaktiviert und der Heizzweig wird geöffnet, sodass Kühlmittel aus dem Heizzweig und insbesondere auch aus dem Kühlzweig über den NT-Kühler geführt wird. Weiterhin strömt ständig Kühlmittel das über den NT-Kühler insbesondere auf nahezu Umgebungstemperatur abgekühlt wurde durch den Heizzweig. Es erfolgt keine Wärmeabgabe über den Heizungswärmetauscher. Dieser ist insbesondere in einem Klimagerät angeordnet und wird von einem Luftstrom durchströmt, welcher im Kühlbetrieb zweckmäßigerweise unterbrochen wird, beispielsweise durch eine dem Steuerungssystem übergeordnete oder parallele Klimagerätesteuerung. Mit anderen Worten: liegt keine Heizanforderung vor, wird der Heizungswärmetauscher luftseitig abgesperrt.
  • Im Heizbetrieb wird insbesondere ausschließlich eine Heizanforderung bedient, indem über den Heizungswärmetauscher Wärme an den diesen durchströmenden Luftstrom abgegeben wird. Dazu wird dem Heizungswärmetauscher über den Kondensator der Wärmepumpe Wärme zugeführt, welche ursprünglich durch Wärmeaufnahme über den NT-Kühler und /oder eine zu kühlende Fahrzeugkomponente in den Kühlmittelkreislauf gelangt und von dort mittels des Chillers an den Kondensator übergeben wird. Liegt eine Kühlanforderung für einen Hochvoltspeicher vor, welcher an den Kältekreis angeschlossen ist, so wird alternativ zweckmäßigerweise Wärme über den HVS-Verdampfer in den Kältekreis eingebracht, sodass auf der Chiller nicht unbedingt benötigt wird und dann geeigneterweise deaktiviert wird. Weiterhin wird im Heizbetrieb der Heizzweig geschlossen, um in diesem möglichst viel Wärme zu halten. Der Klima-Verdampfer ist dabei deaktiviert, sodass über diesen keine Wärmeaufnahme erfolgt.
  • In den Mischbetrieben ist dann jeweils ein kombiniertes Heizen und Kühlen realisiert, wobei sich unterschiedliche Mischbetriebe insbesondere durch ein verändertes Verhältnis von Kühlanforderung zu Heizanforderung unterscheiden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ausgehend vom Heizbetrieb ein erster Mischbetrieb automatisch dadurch eingestellt, dass der Klima-Verdampfer aktiviert, d.h. hinzugeschaltet wird, um gleichzeitig zu heizen und zu kühlen. Ausgehend vom ersten Mischbetrieb wird dann ein zweiter Mischbetrieb erforderlich und daher auch automatisch eingestellt, wenn die Heizleistung geringer wird, indem die Leistung des Chillers und somit der Wärmepumpe zurückgefahren wird. Dazu wird ein Expansionsventil abgeregelt, welches dem Chiller im Kältekreis vorgeschaltet ist. Unter „abgeregelt“ wird dabei insbesondere verstanden, dass zusätzlich zu einer möglicherweise vorhandenen und insbesondere herkömmlichen Regelung eine Abregelung und dadurch eine weitere Reduzierung der Leistung der Wärmepumpe erfolgt. Ausgehend vom zweiten Mischbetrieb wird ein dritter Mischbetrieb automatisch dadurch eingestellt, dass der Heizzweig getaktet betrieben wird, um insbesondere überschüssige Wärme aus dem Heizzweig abzuführen. Ausgehend vom dritten Mischbetrieb wird dann der Kühlbetrieb automatisch dadurch eingestellt, dass der Heizzweig durchgängig geöffnet wird. Das automatische Einstellen in umgekehrter Richtung, d.h. vom Kühlbetrieb, zum dritten Mischbetrieb, zum zweiten Mischbetrieb, zum ersten Mischbetrieb und schließlich zum Heizbetrieb, erfolgt sinngemäß umgekehrt. Das Einstellen der diversen Betriebsmodi erfolgt somit insgesamt auf vorteilhafte Weise automatisch, gleitend und kontinuierlich.
  • Von den vorgenannten Betriebsmodi ist allgemein immer lediglich einer aktiv, d.h. zu einem gegebenen Zeitpunkt ist immer nur ein bestimmter Betriebsmodus eingestellt. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass die Betriebsmodi wesentlich durch die jeweilige konkrete Einstellung des Heizzweigs und des Expansionsventils vor dem Chiller definiert sind und sich daher gegenseitig ausschließen.
  • Im Kältekreis ist ein Verdichter angeordnet, der mit einer bestimmten Verdichterdrehzahl betrieben wird und in Abhängigkeit ebendieser eine bestimmte Leistung aufweist. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Steuerungssystem einen ersten und einen zweiten Regler auf, mittels derer der Verdichter, genauer gesagt dessen Leistung geregelt wird, indem die Verdichterdrehzahl eingestellt, d.h. geregelt wird, welche jeweils als eine Steuergröße für die beiden Regler dient, wobei lediglich einer der beiden Regler und dessen Steuergröße in Abhängigkeit des Klimatisierungsbedarfs zur Regelung des Verdichters ausgewählt werden. Der Verdichter ist somit insbesondere ein Stellglied des Steuerungssystems. Die Verdichterdrehzahl bestimmt maßgeblich die vom Verdichter aufgebrachte Leistung und damit mittelbar eine jeweilige Klimatisierungsleistung des Klima-Verdampfers und der Wärmepumpe. Der Verdichter wird über einen ersten und einen zweiten Regler geregelt, von denen lediglich einer zu einem gegebenen Zeitpunkt verwendet wird. Mit anderen Worten: die Regler sind nicht gleichzeitig aktiv, sondern lediglich einer der Regler wird in Abhängigkeit des vorliegenden Klimatisierungsbedarfs ausgewählt und dann verwendet. Dadurch reagiert das Steuerungssystem automatisch auf sich ändernde Umgebungsbedingungen, beispielsweise eine geänderte Heizanforderung durch den Nutzer. Die beiden Regler sind dabei für entsprechend unterschiedliche Klimatisierungsanforderungen ausgelegt und optimiert. Insbesondere wird der verwendete Regler dann auch in Abhängigkeit desjenigen Betriebsmodus ausgewählt, der gerade vorliegt.
  • Im Heizbetrieb, erfolgt zweckmäßigerweise eine Regelung mittels des ersten Reglers, wobei als eine Regelgröße dann geeigneterweise eine Heizzweig-Isttemperatur verwendet wird, d.h. eine Temperatur des Kühlmittels im Heizzweig oder in der Heizschleife. Die Heizzweig-Isttemperatur wird vorzugsweise zwischen dem Kondensator und dem Heizungswärmetauscher gemessen. Die Temperatur des Kühlmittels an dieser Stelle bestimmt die Heizleistung des Heizungswärmetauschers und damit die Beheizung des Fahrgastraums, insbesondere in Kombination mit dem eingestellten Luftdurchsatz und der Eintrittstemperatur des Luftstroms in den Heizungswärmetauscher. Zum Erreichen einer bestimmten Temperatur des Fahrgastraums, welche beispielsweise vom Nutzer über ein Bedienelement eingestellt wird, muss dann das Kühlmittel am Heizungswärmetauscher eine bestimmte Heizzweig-Solltemperatur aufweisen, welche als Führungsgröße für den ersten Regler verwendet wird und dem Steuerungssystem beispielsweise von einer übergeordneten Klimatisierungsfunktionslogik vorgegeben wird. Entsprechend wird der erste Regler dann auch als Heiz-Regler bezeichnet.
  • Bei Vorliegen einer Kühlanforderung, d.h. falls ein Kühlbetrieb oder einer der Mischbetriebe eingestellt ist, mit anderen Worten in denjenigen Betriebsmodi, in denen der Klima-Verdampfer aktiv ist und zur Wärmeaufnahme verwendet wird, wird der Verdichter dagegen vorteilhafterweise mittels des zweiten Reglers in Abhängigkeit einer Verdampfer-Isttemperatur als eine Regelgröße geregelt, d.h. insbesondere derjenigen Temperatur, welche am Klima-Verdampfer vorliegt. Diese wird beispielsweise ermittelt, indem eine Lufttemperatur gemessen wird, d.h. die Temperatur derjenigen Luft, die den Klima-Verdampfer zwecks Kühlung überströmt und in den Fahrgastraum zur Klimatisierung eingeströmt wird. In einer möglichen Ausgestaltung entspricht die Lufttemperatur der Verdampfer-Isttemperatur und wird direkt als Regelgröße verwendet. Als Führungsgröße wird eine Verdampfer-Solltemperatur verwendet, welche analog eine Zieltemperatur am Klima-Verdampfer oder eine Zieltemperatur für die Luft darstellt und beispielsweise vom Nutzer eingestellt oder über eine übergeordnete Klimatisierungsfunktionslogik vorgegeben wird. Der zweite Regler wird entsprechend auch als Kühl-Regler bezeichnet.
  • Zu beachten ist bei der Regelung mittels des zweiten Reglers insbesondere, dass gerade auch in den Mischbetrieben, in denen gleichzeitig zu einer Kühlanforderung in Form der Verdampfer-Solltemperatur auch eine Heizanforderung in Form der Heizzweig-Solltemperatur vorliegt, der Verdichter trotzdem in Abhängigkeit der Kühlanforderung mittels des zweiten Reglers geregelt wird. Der Verdichter wird lediglich im Heizbetrieb mittels des ersten Reglers geregelt. Auf diese Weise ist eine effiziente und vor allem stabile Regelung des Verdichters und des Wärmepumpensystems insbesondere in sämtlichen Betriebsmodi gewährleistet. Die beiden Regler sind beispielsweise jeweils als PI-Regler ausgebildet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Steuerungssystem einen dritten Regler auf, mittels dessen der Verdichter geregelt wird, indem dem dritten Regler eine Kühlmittel-Isttemperatur als eine Regelgröße und eine minimale Kühlmitteltemperatur als eine Führungsgröße zugeführt wird. Der dritte Regler wird insbesondere parallel, d. h. hier insbesondere gleichzeitig zum ersten Regler betrieben. Der Verdichter wird dann in Abhängigkeit der Kühlmittel-Isttemperatur geregelt, d.h. einer Temperatur des Kühlmittels außerhalb des Heizzweigs und der Heizschleife und insbesondere einer Temperatur des Kühlmittels stromab des Chillers sowie stromauf des NT-Kühlers. Dadurch ist auf vorteilhafte Weise eine zusätzliche Regelstrecke ausgebildet, mittels welcher ein Vereisen des NT-Kühlers durch ein zu stark im Chiller abgekühltes Kühlmittel effizient vermieden wird, indem rechtzeitig die Verdichterdrehzahl heruntergefahren wird. Die minimale Kühlmitteltemperatur ist hierzu insbesondere ein unterer Grenzwert, welcher zur Vermeidung einer Vereisung nicht unterschritten werden soll. Daher wird der dritte Regler auch als Begrenzungs-Regler bezeichnet.
  • Vorzugsweise sind der erste und der dritte Regler unterschiedliche Regler, wobei wie oben beschrieben der erste Regler auf die Heizkreis-Solltemperatur regelt und der dritte Regler auf die minimale Kühlmitteltemperatur. Der erste und der dritte Regler erzeugen jeweils eine Steuergröße, von denen das Steuerungssystem in einer bevorzugten Ausgestaltung eine auswählt. Dabei erzeugt der erste Regler eine Betriebs-Steuergröße und der dritte Regler eine Begrenzungs-Steuergröße. Zur Regelung des Verdichters wird dann diejenige der beiden Steuergrößen, die ausgewählt wurde, nämlich die des ersten oder die die des dritten Reglers verwendet. Die Steuergröße wird dazu mittels eines Vergleichers ausgewählt, wobei der Vergleicher einen Minimalvergleich durchführt und die niedrigere der beiden Steuergrößen auswählt.
  • In einer Ausgestaltung mit drei Reglern sind diese dann vorteilhafterweise derart miteinander verschaltet, dass der Verdichter zunächst abhängig vom eingestellten Betriebsmodus grundsätzlich über den Heiz- oder den Kühl-Regler geregelt wird und zugleich bei einer Regelung über den Heiz-Regler im Heizbetrieb eine Absicherung gegen ein Vereisen des NT-Kühler gewährleistet ist, indem bei einer zu hohen Verdichterleistung automatisch der dritte Regler, d.h. der Begrenzungs-Regler anstelle des Heiz-Reglers verwendet wird. Insgesamt erfolgt also eine betriebsmodusbedingte Auswahl zwischen dem ersten Regler und dem zweiten Regler und im Falle der Auswahl des ersten Reglers eine zusätzliche Begrenzung über den Vergleicher und den dritten Regler.
  • In einer zweckmäßigen Variante wird die Verdichterdrehzahl zusätzlich begrenzt, indem die zur Regelung verwendete Steuergröße, mit einem Begrenzungsfaktor multipliziert wird. Der Begrenzungsfaktor wird insbesondere mittels einer Kennlinie in Abhängigkeit einer Begrenzungsgröße ausgewählt. Der Begrenzungsfaktor ist insbesondere abhängig von einem Grenzwert für eine thermodynamische Kenngröße des Kältemittels und beispielsweise ein Druck oder eine Temperatur. Durch Multiplikation mit dem Begrenzungsfaktor wird dann vorteilhaft vermieden, dass der Druck einen minimalen Niederdruck vor dem Verdichter unterschreitet oder einen maximalen Hochdruck nach dem Verdichter überschreitet oder dass die Temperatur eine maximale Heißgastemperatur des Kältemittels nach dem Verdichter überschreitet. Mit anderen Worten: der Begrenzungsfaktor stellt sicher, dass bestimmte Grenzwerte für Kenngrößen des Kältemittels, beispielsweise die vorgenannten Parameter, beim Betrieb des Wärmepumpensystems eingehalten werden. In einer Variante werden entsprechend mehrere Kenngrößen überwacht und daraus mehrere oder ein gemeinsamer Begrenzungsfaktor ermittelt, welcher/welche dann mit der Steuergröße multipliziert werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Steuerungssystem einen Überhitzungs-Regler auf, auch als vierter Regler bezeichnet, mittels dessen eine Überhitzung des Kältemittels eingestellt wird, indem das Expansionsventil geregelt wird, welches stromauf des Chillers angeordnet ist und welches eine Öffnung aufweist, die als eine Stellgröße des vierten Reglers dient. Dabei dient die Überhitzung als eine Regelgröße des vierten Reglers und eine Soll-Überhitzung, welche in Abhängigkeit der Klimatisierungsanforderung bestimmt wird, als eine Führungsgröße. Durch die Regelung des Expansionsventils wird demnach eine bestimmte Überhitzung des Kältemittels vor dem Verdichter eingestellt und somit letztendlich die Leistung der Wärmepumpe, d.h. die von der Wärmepumpe vom Kältekreis in den Heizzweig übertragene Wärmemenge. Das Expansionsventil ist dabei insbesondere ein Stellglied des Steuerungssystems.
  • Mit den Bezeichnungen erster, zweiter, dritter und vierter Regler soll lediglich eine Unterscheidung bei der Benennung der Regler erfolgen. Dabei ist durch die Verwendung des Begriffes „vierter Regler“ gerade nicht gemeint, dass auf jeden Fall noch drei weitere Regler existieren. Vielmehr ist insbesondere auch eine Ausgestaltung möglich, bei welcher lediglich der vierte Regler vorhanden ist, die anderen oben genannten Regler jedoch durch andere Mechanismen ersetzt sind. Analoges gilt für den ersten, zweiten und dritten Regler.
  • Die Überhitzung entspricht der Differenz zwischen einer Kältemittel-Isttemperatur vor dem Verdichter und einer druckabhängigen Sattdampftemperatur des Kältemittels. Die Überhitzung wird üblicherweise in Kelvin angegeben und beträgt optimalerweise zwischen 2 und 15 K. Zur Ermittlung der Überhitzung werden in einer geeigneten Ausgestaltung die Temperatur und der Druck des Kältemittels vor dem Verdichter gemessen und daraus dann die Überhitzung, d. h. die Ist-Überhitzung ermittelt, insbesondere über eine Kennlinie. Um dann ein zu häufiges Verstellen des Expansionsventils durch den vierten Regler zu vermeiden, werden in einer zweckmäßigen Weiterbildung schnelle Änderungen der Temperatur dadurch abgefangen, dass die gemessene Temperatur zeitlich gefiltert, d.h. geglättet wird, wodurch insbesondere die Trägheit eines TxV, also eines thermischen Expansionsventils simuliert wird.
  • Die Regelung des Expansionsventils und das Einstellen der Überhitzung erfolgt mittels des vierten Reglers, d.h. des Überhitzungs-Reglers. Die Soll-Überhitzung als die Führungsgröße wird vorzugsweise über eine Kennlinie in Abhängigkeit der vorliegenden Klimatisierungsanforderung bestimmt. Grundsätzlich ist allerdings auch ein konstanter Wert geeignet. Abweichend hiervon ist jedoch insbesondere zur Effizienzsteigerung und zur Vermeidung einer bei einem Heizleistungsdefizit erforderlichen elektrischen Zuheizung im Heizzweig für den ersten Mischbetrieb eine Anpassung der Überhitzung vorteilhaft. Hierzu werden in einer geeigneten Ausgestaltung der Klima-Verdampfer und der Chiller miteinander vertrimmt und es wird eine geringere Soll-Überhitzung eingestellt als für den Heizbetrieb. Hierbei ist der Klima-Verdampfer aktiviert, d. h. es ist kein reiner Heizbetrieb eingestellt, möglicherweise aber ein Mischbetrieb. Insbesondere da der Verdichter wie oben beschrieben außerhalb des Heizbetriebs grundsätzlich über die Differenz aus der Verdampfer-Isttemperatur und der Verdampfer-Solltemperatur geregelt wird, ist die Leistung des Verdichters entsprechend auf den Klima-Verdampfer und die Wärmepumpe aufgeteilt, sodass insbesondere im ersten Mischbetrieb unter Umständen nicht die geforderte Menge an Wärme in den Heizzweig gelangt und beispielsweise mittels eines zusätzlichen Zuheizers zugeheizt werden muss. Um dies möglichst zu vermeiden, wird dann zweckmäßigerweise eine geringere Soll-Überhitzung eingestellt, d. h. die Öffnung des Expansionsventils vor dem Chiller wird entsprechend größer eingestellt und dadurch ein größerer Kältemittelmassenstrom durch den Chiller erzeugt, während durch den Klima-Verdampfer ein verringerter Kältemittelmassenstrom strömt. Aufgrund der Regelung des Verdichters relativ zum Klima-Verdampfer wird dann automatisch die Leistung des Verdichters erhöht, sodass wiederum auch mehr Wärme über die Wärmepumpe in den Heizzweig übertragen wird. Durch diese Anpassung der Soll-Überhitzung in Abhängigkeit der Klimatisierungsanforderung, d.h. letztendlich insbesondere in Abhängigkeit des Betriebsmodus, wird dann besonders im ersten Mischbetrieb eine vorteilhafte Vertrimmung des Klima-Verdampfers und des Chillers realisiert und eine höhere Verdichterleistung erzwungen als allein aufgrund der Verdampfer-Isttemperatur zunächst notwendig wäre. Diese zusätzliche Verdichterleistung wird dann zur zusätzlichen Wärmezufuhr in den Heizzweig mittels der Wärmepumpe verwendet, sodass ein im Vergleich hierzu ineffizienter Zuheizer nicht zugeschaltet werden muss. Daraus ergibt sich zudem der Vorteil, dass dann auf einen Zuheizer verzichtet werden kann, wodurch wiederum Kosten eingespart werden.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Stellgröße des vierten Reglers durch einen zusätzlichen Abregelfaktor beeinflusst, d. h. insbesondere mit diesem multipliziert und dadurch reduziert, zur Reduzierung der Menge an Wärme, die von der Wärmepumpe übertragen wird. Mit anderen Worten: zusätzlich zur Regelung des Expansionsventils mittels des vierten Reglers wird das Expansionsventil mittels des Abregelfaktors weiter abgeregelt. Auf diese Weise wird insbesondere der zweite Mischbetrieb eingestellt, welcher sich durch die Abregelung mittels des Abregelfaktors auszeichnet. Grundsätzlich ist der Abregelfaktor jedoch insbesondere auch an der Definition der diversen anderen Betriebsmodi beteiligt. Geeigneterweise wird der Abregelfaktor als Faktor im Bereich von 0 bis 1 bestimmt, wobei der zweite Mischbetrieb dann in solchen Fällen eingestellt ist, in denen der Abregelfaktor größer als 0 und kleiner als 1 ist. Ein Abregelfaktor von 0 oder 1 markiert dann einen Übergang vom zweiten Mischbetrieb zu einem anderen Betriebsmodus, insbesondere zum dritten Mischbetrieb.
  • Der Abregelfaktor dient wie oben beschrieben vorrangig zur Realisierung einer zusätzlichen Reduzierung der Menge an Wärme, die von der Wärmepumpe übertragen wird, und damit der Realisierung des zweiten Mischbetriebs. Da in diesem im Vergleich zum Heizbetrieb und insbesondere auch zum ersten Mischbetrieb im Heizzweig lediglich eine geringere Menge an Wärme benötigt wird, wird die Wärmepumpe durch das Abregeln des Expansionsventils zurückgenommen und somit dann weniger Wärme vom Kältekreis in den Heizzweig übertragen, da weniger Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf aufgenommen wird. Dadurch wird eine unnötig hohe und nicht bedarfsgerechte Wärmemenge im Heizzweig vermieden und die Effizienz des Wärmepumpensystems insgesamt verbessert.
  • Geeigneterweise wird der Abregelfaktor in Abhängigkeit einer Temperatur des Kühlmittels im Heizzweig bestimmt, d. h. in Abhängigkeit der oben bereits erwähnten Heizzweig-Isttemperatur, genauer gesagt in Abhängigkeit der Differenz aus der Heizzweig-Solltemperatur und der Heizzweig-Isttemperatur. Hierbei wird die Differenz zur Bestimmung eines geeigneten Wertes des Abregelfaktors zweckmäßigerweise anhand einer Kennlinie ermittelt. Diese verläuft insbesondere derart, dass mit ansteigender Heizzweig-Isttemperatur, welche dann bereits über der Heizzweig-Solltemperatur liegt, der Abregelfaktor geringer gewählt wird, sodass das Expansionsventil weiter geschlossen wird und dabei die Leistung des Chillers vorteilhaft genau im erforderlichen Maße reduziert wird.
  • Tatsächlich lässt sich der hier maßgebliche Effekt des Abregelns, d.h. die Reduzierung der Wärmeaufnahme im zweiten Mischbetrieb, vorteilhaft auch durch eine veränderte Vorgabe der Soll-Überhitzung erzielen, nämlich durch Vorgabe einer Soll-Überhitzung, welche größer ist als die tatsächlich gewollte Soll-Überhitzung. Insbesondere anstelle eines expliziten Abregelfaktors wie oben beschrieben wird dann in einer geeigneten Variante eine Reduzierung der Wärmeaufnahme dadurch erzielt, dass die Soll-Überhitzung mit einem zusätzlichen Abregelzuschlag modifiziert wird, d.h. insbesondere, dass zur Soll-Überhitzung der Abregelzuschlag addiert wird, um eine größere Soll-Überhitzung zu erhalten. Dieser Abregelzuschlag ist beispielsweise ein fester Wert oder jener wird aus einer Kennlinie entnommen. Alternativ wird für die Soll-Überhitzung eine andere Kennlinie verwendet, in welcher der Abregelzuschlag bereits berücksichtigt ist.
  • Durch diesen zusätzlichen Eingriff in die Regelung des Expansionsventils mittels des vierten Reglers wird auch die Überhitzung erhöht, was in dieser Situation jedoch geeigneterweise hingenommen werden soll. Dazu wird in einer zweckmäßigen Ausgestaltung bei einer Reduzierung der Steuergröße durch den Abregelfaktor, d. h. im zweiten Mischbetrieb und insbesondere bei einem Abregelfaktor kleiner 1, ein I-Anteil des vierten Reglers angehalten, wobei der vierte Regler insbesondere als PI-Regler ausgebildet ist. In einer Variante wird auch der P-Anteil angehalten. Durch das Anhalten, d.h. deaktivieren des I- und ggf. auch des P-Anteils, wird auf vorteilhafte Weise ein Gegenarbeiten des Reglers gegen den zusätzlichen Eingriff über den Abregelfaktor verhindert.
  • Bei dem Abregelfaktor und insbesondere bei der der Kennlinie für den Abregelfaktor wird zweckmäßigerweise berücksichtigt, dass eine maximale Heizzweigtemperatur nicht überschritten werden soll, dass also der Abregelfaktor 0 beträgt, bevor oder spätestens wenn die Heizzweig-Isttemperatur die maximale Heizzweig-Temperatur erreicht. Mit anderen Worten: die Kennlinie für den Abregelfaktor ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass eine maximale Heizzweigtemperatur nicht überschritten wird. Dadurch wird dann eine Wärmeübertragung mittels der Wärmepumpe bei Erreichen der maximalen Heizzweigtemperatur verhindert.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird bei Erreichen eines Grenzwertes, d. h. eines minimalen oder maximalen Wertes und insbesondere des Wertes 0 für den Abregelfaktor das Expansionsventil vollständig geschlossen und automatisch der dritte Mischbetrieb eingestellt. Dadurch, dass das Expansionsventil geschlossen wird, wird insbesondere auch die Wärmeaufnahme der Wärmepumpe deaktiviert. Insbesondere wird dann lediglich noch Wärme über den Klimaverdampfer aufgenommen und in den Heizzweig übertragen. Diese Einstellung erfolgt demnach bei einer Heizanforderung, die gegenüber dem Heizbetrieb sowie dem ersten und dem zweiten Mischbetrieb reduziert ist, oder falls überhaupt keine Heizanforderung vorliegt. Um dann auf einfache und effiziente Weise jegliche überschüssige Wärme aus dem Heizzweig zu entfernen, wird automatisch der dritte Mischbetrieb eingestellt und der Heizzweig getaktet betrieben. Der Übergang zwischen zweitem und drittem Mischbetrieb ist demnach insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Wärmepumpe nicht weiter zurückgefahren werden kann, aber dennoch überschüssige Wärme im Heizzweig vorhanden ist, sodass nun der Heizzweig periodisch wiederkehrend geöffnet wird.
  • In jenen Fällen, in welchen der Chiller nicht aktiv ist, d. h. insbesondere im dritten Mischbetrieb, wird dann auch zweckmäßigerweise ein I-Anteil des insbesondere als PI-Regler ausgebildeten vierten Reglers angehalten, um dann insbesondere bei einer erneuten Aktivierung des Chillers zu verhindern, dass der vierte Regler das Expansionsventil in eine Anschlagsposition verfährt, also direkt vollständig öffnet. Stattdessen wird das Expansionsventil dann ausgehend von der geschlossenen Stellung kontinuierlich oder gleitend geöffnet. Dadurch werden insbesondere unnötige Schaltgeräusche und eine übermäßige akustische Belastung der Umgebung vermieden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung wird beim Abstellen des Fahrzeugs oder falls sowohl der Chiller als auch der Klima-Verdampfer aktiv sind, für das Expansionsventil vor dem Chiller eine Mindestöffnung vorgegeben, welche die Stellgröße des vierten Reglers begrenzt. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass in bestimmten Situationen ein vollständiges Schließen des Expansionsventils vor dem Chiller nachteilig ist, sodass gerade in diesen Fällen die Regelung des Expansionsventils zweckmäßigerweise umgangen wird und stattdessen eine Mindestöffnung für das Expansionsventil eingestellt wird, indem für die Steuergröße ein Minimalwert als unterer Grenzwert verwendet wird. Insbesondere ist es jedoch im ersten und zweiten Mischbetrieb aufgrund des Abregelfaktors möglich, dass die tatsächlich eingestellte Öffnung dann durch die zusätzliche Abregelung die Mindestöffnung unterschreitet.
  • Besonders sinnvoll ist dieses Vorgehen einerseits beim Starten des Wärmepumpensystems, d. h. insbesondere beim Starten des Fahrzeugs, sodass zweckmäßigerweise schon beim Abstellen des Fahrzeugs die Mindestöffnung eingestellt wird, um beim Starten dann entsprechend eingestellt zu sein. Eine solche geöffnete Stellung bei einem inaktivem Wärmepumpensystem und allgemein inaktivem Fahrzeug ermöglicht dann einen vorteilhaften Druckausgleich im Kältekreis, sodass auffällige Druckpulse und Geräusche beim Starten vermieden werden.
  • Das Vorgeben einer Mindestöffnung eignet sich andererseits auch besonders für den ersten Mischbetrieb und generell für solche Situationen und Betriebsmodi, in denen zusätzlich zum Expansionsventil vor dem Chiller auch das Expansionsventil vor dem Klima-Verdampfer verwendet wird und geöffnet ist. In dieser Situation beeinflussen die beiden Expansionsventile gemeinsam die Überhitzung vor dem Verdichter und durch Vorgabe der Mindestöffnung wird dann ein zu starkes Schließen des Expansionsventils vor dem Chiller vermieden. Dies wirkt sich dann in besonderem Maße stabilisierend auf den Betrieb des Wärmepumpensystems aus.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung schließt und öffnet das Steuerungssystem den Heizzweig mittels eines Absperrventils, welches insbesondere in einem Vor- oder einem Rücklauf des Heizzweigs angeordnet ist. Mit anderen Worten: das Steuersystem steuert das Absperrventil. Das Absperrventil ist somit insbesondere ein Stellglied des Steuerungssystems. Zum Öffnen des Heizzweigs wird das Absperrventil geöffnet und dadurch auf besonders einfache Weise der Kühlbetrieb eingestellt. Zum Schließen des Heizzweigs wird das Absperrventil entsprechend geschlossen und dadurch der Heizbetrieb, der erste Mischbetrieb oder der zweite Mischbetrieb eingestellt. Die drei Betriebsmodi Heizbetrieb, erster Mischbetrieb und zweiter Mischbetrieb unterscheiden sich dann voneinander durch die jeweilige Einstellung für die Wärmepumpe und den Klima-Verdampfer. Der dritte Mischbetrieb wird dann dadurch eingestellt, dass das Absperrventil und somit auch der Heizzweig periodisch geöffnet und geschlossen, d. h. getaktet betrieben wird. Der Schaltzustand des Absperrventils definiert somit insbesondere die Übergänge vom zweiten Mischbetrieb zum dritten Mischbetrieb und von diesem zum Kühlbetrieb.
  • Mittels des Absperrventils ist auf besonders einfache und effiziente Weise ein kontinuierlicher Übergang zwischen verschiedenen Betriebsmodi realisiert. Besonders die getaktete Ansteuerung gewährleistet eine graduelle Anpassung der Wärmeabfuhr aus dem Heizzweig an die jeweilige Situation und die vorliegende Klimatisierungsanforderung. Für den Kühlbetrieb wird das Absperrventil durchgängig geöffnet, um einen maximalen Kühlmittelaustausch sowie eine Wärmeabfuhr aus dem Heizzweig über den NT-Kühler zu realisieren, während das Absperrventil für den Heizbetrieb durchgängig geschlossen wird, um möglichst viel Wärme im Heizzweig und in der Heizschleife zu halten. Auch zur Realisierung des ersten und des zweiten Mischbetriebs, in welchem jeweils lediglich die Heizleistung über die Wärmepumpe reduziert wird, ist das Absperrventil dann durchgehend geschlossen. Lediglich bei einer zu starken Ansammlung von Wärme im Heizzweig wird der dritte Mischbetrieb eingestellt und das Absperrventil getaktet betrieben.
  • Bei einem bevorzugten Steuerkonzept für das Absperrventil, d. h. insbesondere einem Konzept zum automatischen und bedarfsweisen Verbinden und Trennen des Heizzweigs vom übrigen Kühlmittelkreislauf, wir das Absperrventil derart angesteuert, dass ein Takt vorgegeben wird, zum wiederkehrenden Öffnen und Schließen des Absperrventils, wobei das Absperrventil während eines ersten Zeitintervalls geöffnet und anschließend während eines zweiten Zeitintervalls geschlossen wird. Die beiden Zeitintervalle ergeben dabei in Summe eine Periodendauer dieses getakteten Betriebs. Die Periodendauer beträgt beispielsweise 3,6 s, die beiden Zeitintervalle weisen dann entsprechend Werte zwischen 0 und 3,6 s auf. Der vorgegebene Takt ist beispielsweise das Verhältnis des ersten Zeitintervalls zur Periodendauer.
  • Der Takt wird geeigneterweise über eine Kennlinie ermittelt, welche den einzustellenden Takt mit der Heizzweig-Isttemperatur, d. h. der Temperatur des Kühlmittels im Heizzweig verknüpft. Insbesondere wird der Takt anhand einer Kennlinie und in Abhängigkeit der Differenz zwischen der Heizzweig-Isttemperatur und einer maximalen Heizzweig-Solltemperatur ausgewählt. Diese maximale Heizzweig-Solltemperatur wird wiederum insbesondere in Abhängigkeit der Heizzweig-Solltemperatur über eine geeignete Kennlinie ermittelt.
  • Das Absperrventil wird somit insgesamt vorzugsweise in Abhängigkeit der insbesondere vom Nutzer vorgegebenen Heizzweig-Solltemperatur und insbesondere in Abhängigkeit des Wärmeüberschusses bezüglich der Heizzweig-Solltemperatur angesteuert und diese Steuerung mittels einer maximalen Temperatur für den Heizzweig begrenzt. Vorzugsweise wird das Absperrventil bei geringer Heizzweig-Isttemperatur durchgehend geschlossen gehalten, indem eine Taktung von 0 ausgewählt wird. Dadurch wird Wärme im Heizzweig gehalten und der Heizbetrieb, der erste Mischbetrieb oder der zweite Mischbetrieb eingestellt. Wird jedoch die Heizzweig-Solltemperatur erreicht oder überschritten, wird das Absperrventil getaktet betrieben, indem ein Takt zwischen 0 und 1 ausgewählt wird, um überschüssige Wärme aus dem Heizzweig abzuführen. Demnach wird der dritte Mischbetrieb auf vorteilhafte Weise automatisch eingestellt, falls mehr Wärme als benötigt im Heizzweig vorhanden ist.
  • Bei einer weiteren Erhöhung der Heizzweig-Isttemperatur wird dann automatisch der Kühlbetrieb eingestellt und das Absperrventil durch Einstellen eines Takts von 1 durchgehend geöffnet, um eine maximale Wärmeabfuhr aus dem Heizzweig zu gewährleisten. Die Steuerung des Absperrventils stellt also automatisch den geeigneten Takt ein und gewährleistet einen kontinuierlichen Übergang zwischen den Betriebsmodi, insbesondere zwischen den Betriebsmodi mit einer Heizanforderung, d. h. hier dem Heizbetrieb und dem ersten und zweiten Mischbetrieb, und den Betriebsmodi mit im Vergleich dazu geringer oder verschwindender Heizanforderung, d.h. dem dritten Mischbetrieb und dem Kühlbetrieb. Von besonderer Bedeutung für einen optimalen Übergang ist hierbei eine entsprechend geeignete Bedatung, d. h. Auslegung der Kennlinien, beispielsweise durch Ermittlung über eine Versuchsreihe.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung stellt das Steuerungssystem automatisch eine NT-Heizkonfiguration ein, indem die Wärmeaufnahme der Wärmepumpe über den Chiller deaktiviert wird und zum Heizen Abwärme einer Fahrzeugkomponente verwendet wird, die an den Kühlzweig angeschlossen ist. In der NT-Heizkonfiguration ist somit eine alternative Wärmezufuhr zum Heizungswärmetauscher realisiert, wobei auf die Verwendung der Wärmeaufnahme der Wärmepumpe über den Chiller verzichtet wird und die Wärme direkt über den Kühlmittelkreislauf zugeführt wird. Dabei wird die Wärmeaufnahme der Wärmepumpe über den Chiller insbesondere dadurch deaktiviert, dass das Expansionsventil vor dem Chiller geschlossen wird. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in bestimmten Situationen eine Nutzung der Abwärme der Fahrzeugkomponente ohne Verwendung der Wärmepumpe möglich ist. Falls zugleich jedoch noch eine Kühlanforderung für den Fahrgastraum besteht, wird weiterhin Wärme über den Klima-Verdampfer in den Kältekreis aufgenommen, sodass der Verdichter in diesem Fall aktiviert bleibt. Falls allerdings keine Kühlanforderung für den Fahrgastraum besteht, wird die Wärmepumpe geeigneterweise vollständig abgeschaltet, d.h. der Verdichter wird abgeschaltet.
  • Eine Situationen, in welcher eine Nutzung der Abwärme der Fahrzeugkomponente ohne Verwendung der Wärmepumpe möglich ist, liegt insbesondere dann vor, wenn die Heizzweig-Solltemperatur geringer ist als die Kühlmittel-Isttemperatur. Eine Aktivierungsbedingung der NT-Heizkonfiguration ist dann insbesondere, dass die Heizzweig-Solltemperatur auch größer ist als die Heizzweig-Isttemperatur, sodass die NT-Heizkonfiguration geeigneterweise genau in dieser Situation aktiviert wird. Ist die NT-Heizkonfiguration aktiviert, übersteigt die Heizzweig-Isttemperatur möglicherweise die Heizzweig-Solltemperatur. Solange die Kühlmittel-Isttemperatur jedoch hinreichend groß ist, d.h. insbesondere größer als die Heizzweig-Solltemperatur, bleibt die NT-Heizkonfiguration zweckmäßigerweise aktiviert. Mit anderen Worten: die NT-Heizkonfiguration wird aktiviert, falls eine Heizanforderung vorliegt und das Kühlmittel stromab des Chillers eine höhere Temperatur aufweist als im Heizzweig, d. h. ein geeignetes Wärmepotential vorliegt und das Kühlmittel am Heizungswärmetauscher dann Wärme abgeben kann. Die Aktivierung erfolgt jedoch nicht, falls die Kühlmittel-Isttemperatur unterhalb der Heizzweig-Isttemperatur liegt. Durch diese untere Beschränkung der Aktivierung wird insbesondere vermieden, dass bei einer Änderung der Heizanforderung durch den Nutzer hin zu einer geringeren Heizanforderung unnötig Wärme aus dem Heizzweig abgeführt wird, wodurch wiederum die Effizienz des Wärmepumpensystems verbessert ist.
  • In der NT-Heizkonfiguration ist das Wärmepumpensystem insbesondere bezüglich der diversen Ventile wie im Kühlbetrieb eingestellt, d.h. mit geschlossenem Expansionsventil vor dem Chiller und mit geöffnetem Heizzweig. Das Expansionsventil stromauf des Chillers wird vollständig geschlossen, da die zum Heizen verwendete Wärme aus dem Kühlzweig entnommen wird und die Wärmeaufnahme der Wärmepumpe über den Chiller nicht benötigt wird. Die Besonderheit besteht nun insbesondere darin, dass diese Einstellung der Ventile, die ja ansonsten nur im Kühlbetrieb vorliegt, auch eingestellt wird, obwohl keine Kühlanforderung für den Fahrgastraum besteht.
  • Eine Abfuhr überschüssiger Wärme an die Umgebung erfolgt grundsätzlich über den NT-Kühler. Um jedoch ein unnötiges Abführen von Wärme an die Umgebung möglichst zu vermeiden, stellt das Steuerungssystem in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eine Wärmespeicherkonfiguration ein, um eine Wärmeabgabe an die Umgebung zu vermeiden. Dazu wird das Kühlmittel über einen NT-Kühlerbypass am NT-Kühler vorbeigeführt, d.h. insbesondere, dass der NT-Kühlerbypass zum NT-Kühler parallel geschaltet ist. Weiterhin ist geeigneterweise im NT-Kühlerbypass ein Bypass-Ventil angeordnet, welches zum Einstellen der Wärmespeicherkonfiguration geöffnet wird und zum deaktivieren entsprechend geschlossen wird. Die Stellung dieses Bypass-Ventil definiert somit den Wärmespeicherbetrieb. Das Bypass-Ventil ist zudem insbesondere ein Stellglied des Steuerungssystems.
  • In einer besonders kostengünstigen Ausgestaltung ist das Bypass-Ventil ein Absperrventil, welches dann entlang des NT-Kühlerbypass angeordnet ist. In einer besonders effizienten Weiterbildung ist zusätzlich ein weiteres NT-Absperrventil angeordnet, zum Absperren des NT-Kühlers. Dieses NT-Absperrventil wird dann insbesondere umgekehrt zum Bypass-Ventil betrieben, sodass das Kühlmittel entweder vollständig über den NT-Kühler geführt wird oder vollständig über den NT-Kühlerbypass. In einer alternativen Ausgestaltung ist anstelle der beiden Absperrventile ein Umschaltventil, insbesondere 3/2-Wegeventil angeordnet, und zwar stromauf oder -ab des NT-Kühlers, sodass eine Aktivierung und Deaktivierung des Wärmespeicherbetriebs durch Umschalten des Umschaltventils erfolgt.
  • In einer geeigneten Ausgestaltung wird die Wärmespeicherkonfiguration genau dann automatisch eingestellt, falls die Kühlmittel-Isttemperatur größer ist als eine Außentemperatur, d.h. eine Temperatur in der Umgebung des Fahrzeugs, und falls die Kühlmittel-Isttemperatur geringer ist als eine maximale, d.h. eine maximal erlaubte Kühlmitteltemperatur. In dieser Situation, falls also die Kühlmittel-Isttemperatur größer ist als die Außentemperatur könnte zumindest potentiell Wärme an die Umgebung abgegeben werden, was aber durch Aktivierung der Wärmespeicherkonfiguration verhindert wird. Die Begrenzung durch die maximale Kühlmitteltemperatur schützt dann den Kühlmittelkreislauf und die daran angeschlossenen Komponenten, wie beispielsweise die Leistungselektronik oder den elektrischen Antriebsstrang vor einer Überwärmung durch eine zu starke Erwärmung des Kühlmittels.
  • Die Wärmespeicherkonfiguration wird also insbesondere lediglich dann aktiviert, wenn bei bestimmten Umgebungsbedingungen die im Kühlmittelkreislauf enthaltene Wärme nicht an die Umgebung abgegeben werden soll, sondern über eine Wärmeaufnahme durch den Chiller und eine Wärmeabgabe über den Kondensator dem Heizzweig zugeführt werden soll. Mit anderen Worten: die Wärme soll im Kühlmittelkreislauf behalten werden, insbesondere auch dann, wenn zum aktuellen Zeitpunkt keine Heizanforderung vorliegt, die Wärme aber zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden soll. Die Umgebungsbedingungen sind durch die Außentemperatur, die Kühlmittel-Isttemperatur und die maximale Kühlmitteltemperatur charakterisiert. Die Wärmespeicherkonfiguration wird in Abhängigkeit dieser drei Temperaturen aktiviert oder deaktiviert. Insbesondere wird hierzu auch das Absperrventil geöffnet, um ein Einströmen des Kühlmittels in den Heizzweig zu realisieren.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Wärmespeicherkonfiguration auch automatisch aktiviert, falls im Kühlzweig mehr Wärme generiert wird als über den Chiller in den Kältekreis übertragen wird. Mit anderen Worten: falls die Heizanforderung geringer ist als eine Kühlanforderung an die Wärmequelle im Kühlzweig, wird präventiv die Wärmespeicherkonfiguration aktiviert, um die zunächst überschüssige Abwärme für mögliche, zukünftige Heizanforderungen im Kühlmittelkreislauf zu halten. Dabei richtet sich die Menge an Wärme, welche vom Chiller übertragen wird nach dessen maximaler Leistung sowie nach der momentanen Heizanforderung. Die verfügbare Menge an Wärme richtet sich nach der von der Wärmequelle generierten Abwärme, d.h. vom konkreten Betriebszustand der Wärmequelle abhängt und im Falle der Leistungselektronik oder des Antriebsstrangs des Fahrzeugs vom aktuellen Fahrmodus oder Fahrzyklus, in welchem das Fahrzeug gefahren wird. Falls also weniger Wärme benötigt wird als zur Verfügung steht, wird die überschüssige Wärme zweckmäßigerweise zur späteren Verwendung gespeichert, zumindest insbesondere solange die Kühlmittel-Isttemperatur nicht eine maximale Kühlmitteltemperatur überschreitet, wobei die maximale Kühlmitteltemperatur nicht zwingend der oben genannten maximalen Kühlmitteltemperatur entspricht, sondern alternativ eine maximale Kühlzweig-Temperatur ist.
  • Die Wärmespeicherkonfiguration ist insbesondere in Kombination mit der vorgenannten NT-Heizkonfiguration von Vorteil, da hier die Abwärme der Fahrzeugkomponente im Kühlzweig möglichst vollständig in den Heizzweig gelangen soll und möglichst keine Wärme über den NT-Kühler verloren gehen soll. Daher wird die Wärmespeicherkonfiguration zweckmäßigerweise automatisch eingestellt, wenn die NT-Heizkonfiguration eingestellt wird.
  • Dem NT-Kühler ist ein Lüfter zugeordnet, mit einer zweckmäßigerweise einstellbaren Lüfterdrehzahl. Vorzugsweise wird der Lüfter vom Steuerungssystem angesteuert, indem die Lüfterdrehzahl in Abhängigkeit der Kühlmittel-Isttemperatur und einer minimalen Kühlmitteltemperatur eingestellt wird. Dadurch wird der Wärmetausch über den NT-Kühler, d. h. insbesondere mit der Umgebung vorteilhafterweise bedarfsgerecht eingestellt und an die jeweils vorliegende Situation angepasst, insbesondere an die Temperaturverhältnisse im Kühlkreislauf. Dabei wird der Wärmetausch maßgeblich durch einen Luftstrom über den NT-Kühler bestimmt, d.h. einen Luftdurchsatz oder eine Menge an Umgebungsluft, die pro Zeit über den NT-Kühler geführt wird. Durch Einstellen der Lüfterdrehzahl wird dann der Luftdurchsatz gesteuert. Der Lüfter ist somit insbesondere ein Stellglied des Steuerungssystems. Der Lüfter ist insbesondere ein elektrisch angetriebener Lüfter und wird auch als E-Lüfter bezeichnet. Die Lüfterdrehzahl ist dann eine Stellgröße für eine Steuerung, mit der Kühlmittel-Isttemperatur als Steuergröße.
  • Die minimale Kühlmitteltemperatur gibt einen unteren Grenzwert an, welcher verhindert, dass das Kühlmittel am NT-Kühler derart stark abgekühlt wird, dass der NT-Kühler vereist. Dazu wird die minimale Kühlmitteltemperatur beispielsweise über eine Kennlinie in Abhängigkeit der Außentemperatur bestimmt und insbesondere derart, dass die minimale Kühlmitteltemperatur höchstens unwesentlich geringer ist als der Taupunkt der Umgebungsluft in der aktuellen Situation. Üblicherweise ist die minimale Kühlmitteltemperatur dabei geringer als die Außentemperatur.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung wird die Lüfterdrehzahl mittels einer Kennlinie bestimmt, welche derart ausgebildet ist, dass bei Annäherung der Kühlmittel-Isttemperatur an die minimale Kühlmitteltemperatur, d. h. bei geringer werdender Differenz zwischen den beiden Temperaturen, die Lüfterdrehzahl erhöht wird, um durch eine Erwärmung des Kühlmittels mittels einer Erhöhung der Wärmeaufnahme aus der Umgebung eine Vereisung des NT-Kühlers zu vermeiden. Alternativ und bevorzugterweise zusätzlich ist die Kennlinie oder eine zusätzliche Kennlinie derart ausgebildet, dass bei der Wärmeabfuhr über den NT-Kühler und bei steigender Kühlmittel-Isttemperatur eine höhere Lüfterdrehzahl eingestellt wird, um das entsprechend wärmere Kühlmittel im NT-Kühler stärker abzukühlen. Vorzugsweise sind beide der oben genannten Alternativen verwirklicht und über eine Maximal-Auswahl verknüpft. Aus zwei Kennlinien wird dann jeweils eine Lüfterdrehzahl bestimmt und die größere ausgewählt, sodass für eine sinkende Kühlmittel-Isttemperatur eine Vereisung des NT-Kühlers durch eine erhöhte Wärmeaufnahme aus der Umgebung verhindert wird und bei steigender Kühlmittel-Isttemperatur eine übermäßige Erwärmung des Kühlmittels durch eine erhöhte Wärmeabgabe an die Umgebung verhindert wird.
  • Im Wärmespeicherbetrieb wird auf eine Steuerung des Lüfters zweckmäßigerweise verzichtet und dieser dann deaktiviert, da ein Wärmetausch mit der Umgebung in diesem Fall nicht erwünscht ist und durch Deaktivieren des Lüfters entsprechend sowohl Energie für den Betrieb des Lüfters als auch durch den ansonsten vermehrten Wärmeaustausch am NT-Kühler eingespart wird.
  • Der Luftdurchsatz am NT-Kühler ist durch die oben beschriebenen Steuerungskonzepte für den Lüfter bedarfsangepasst gesteuert und dadurch besonders effizient. Lediglich bei entsprechendem Bedarf wird die Lüfterdrehzahl erhöht und ansonsten möglichst gering gehalten, sodass insgesamt auch eine verbesserte Akustik des Wärmepumpensystems erzielt wird.
  • Grundsätzlich weist das Steuerungssystem einen Speicher auf, in welchem eine Anzahl von Modellparametern gespeichert ist, insbesondere diejenigen Temperaturen, welche kritische Grenztemperaturen des Kühlmittels darstellen. Ein Beispiel für solch eine kritische Grenztemperatur und somit für einen Modellparameter ist die oben erwähnte minimale Kühlmitteltemperatur. Diese Kenntnis ermöglicht in Kombination mit einer Messung der Kühlmittel-Isttemperatur eine vorteilhaft regelmäßige und insbesondere kontinuierlich Überwachung der Kühlmittel-Isttemperatur im Hinblick auf eine mögliche Vereisungsgefahr durch eine Annäherung an die minimale Kühlmitteltemperatur.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung wird dann eine insbesondere potentielle Vereisung dadurch vermieden, dass der Heizzweig zyklisch geöffnet und Wärme aus dem Heizzweig zum NT-Kühler geführt wird. Mit anderen Worten: in Abhängigkeit der Differenz zwischen der minimalen Kühlmitteltemperatur und der Kühlmittel-Isttemperatur wird der Kühler in regelmäßigen zeitlichen Abständen mittels des Heizzweigs beheizt. Hierbei wird insbesondere in Anlehnung an den dritten Mischbetrieb durch ein zyklisches Öffnen des Heizzweigs aus diesem Wärme abgeführt und dadurch ein Vereisungsvermeidungsbetrieb eingestellt, d.h. ein Vereisungsschutz realisiert. Dabei wird unter zyklischem Öffnen verstanden, dass der Heizzweig nicht wie im dritten Mischbetrieb getaktet betrieben wird, sondern dass vielmehr der Heizzweig grundsätzlich über einen längeren Zeitraum von mehreren Minuten geschlossen ist, insbesondere wenigstens 10 min, und lediglich während eines kurzen Zeitraums von wenigen Sekunden, beispielsweise 1 bis 10 s, insbesondere bis 60 s, geöffnet wird. Dadurch wird dann während des kurzen Zeitraums Wärme aus dem Heizzweig in den übrigen Kühlmittelkreislauf abgegeben und zum NT-Kühler geführt ohne den eigentlich gewollten Betriebsmodus signifikant zu unterbrechen. Mit anderen Worten: in Abhängigkeit der Kühlmittel-Isttemperatur wird ein zyklischer Enteisungsbetrieb dadurch realisiert und eingestellt, dass der Heizzweig ausgehend von einem momentan vorliegenden Betriebsmodus, insbesondere einem solchen mit geschlossenem Heizzweig, kurzzeitig geöffnet wird. Der Vereisungsvermeidungsbetrieb unterbricht sozusagen kurzzeitig einen jeweiligen eingestellten Betriebsmodus. Durch geeignete Auslegung des Steuerungssystems wird dann der zyklische Vereisungsvermeidungsbetrieb derart aktiviert, dass erst gar keine Vereisung entsteht. Dieser ist besonders für Fahrzeuge mit künstlich erzeugter, zusätzlicher Abwärme im Kühlmittelkreislauf geeignet, wobei dann durch entsprechende Erzeugung einer solchen zusätzlichen Abwärme die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf insgesamt angehoben wird, beispielsweise um wenige °C, sodass es entsprechend erst gar nicht zur Vereisung am NT-Kühler kommt.
  • Bei den oben beschriebenen Steuer- und Regelkonzepten für die diversen Komponenten kommt den diversen Kennlinien, über welche zum Einen weitere Parameter für die jeweilige Steuerung oder Regelung ermittelt werden und zum Anderen ein Bezug zu den diversen Steuergrößen hergestellt wird, eine besondere Bedeutung zu. Diese Kennlinien bestimmen nämlich maßgeblich das konkrete Verhalten des Steuerungssystems sowie das von diesem durchgeführte automatische Einstellen der diversen Betriebsmodi, insbesondere die Bedingungen für die Übergänge. Zudem werden in den Kennlinien vorteilhafterweise auch bestimmte Grenzbedingungen in Form von oberen und unteren Grenzwerten für einen reibungslosen Betrieb des Wärmepumpensystems berücksichtigt. Die Kennlinien werden dann insbesondere durch geeignete Versuche bestimmt und geeigneterweise im Sinne einer Wertetabelle oder einer Berechnungsvorschrift im Speicher des Steuerungssystems hinterlegt.
  • Geeigneterweise weist das Steuerungssystem eine Steuerungselektronik oder einen Controller auf, um insbesondere eine oder mehrere der oben genannten Einstellungen, Steuerungen, Regelungen, Berechnungen und/oder sonstigen Operationen durchzuführen.
  • Durch das Steuerungssystem ist das Wärmepumpensystem des Fahrzeugs dann insgesamt besonders sicher, robust, effizient und geräuscharm im Betrieb. Mittels des Steuerungssystems können zudem vorteilhaft auch komplexe Klimatisierungsanforderungen realisiert werden, wie beispielsweise gleichzeitiges Beheizen des Fahrgastraums und Kühlen von Fahrzeugkomponenten im Kühlkreislauf und/oder über weitere Verdampfer im Kältekreis. Gegenüber herkömmlichen Wärmepumpensystemen ist das Wärmepumpensystem besonders energieeffizient und daher insbesondere zur Verwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug geeignet.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
  • 1 ein Wärmepumpensystem,
  • 2 ein Regelkonzept für einen Verdichter des Wärmepumpensystems,
  • 3a ein Regelkonzept für ein Expansionsventil einer Wärmepumpe des Wärmepumpensystems,
  • 3b eine Kennlinie zur Bestimmung eines Abregelfaktors für das Regelungskonzept aus 3a,
  • 4a ein Steuerkonzept für ein Absperrventil eines Heizzweigs des Wärmepumpensystems,
  • 4b eine Kennlinie zur Bestimmung eines Takts für das Steuerkonzept aus 4a,
  • 5 ein Steuerkonzept für ein Bypass-Ventil des Wärmpumpensystems,
  • 6 Bedingungen zur Aktivierung einer NT-Heizkonfiguration des Wärmepumpensystems, und
  • 7 ein Steuerkonzept für einen Lüfter des Wärmepumpensystems.
  • In 1 ist ein Wärmepumpensystem 2 für ein nicht näher gezeigtes Fahrzeug dargestellt, insbesondere für ein Elektro- oder ein Hybridfahrzeug. Das Wärmepumpensystem 2 weist einen Kältekreis 4 auf, in dem ein Kältemittel zirkuliert, sowie einen Kühlmittelkreislauf 6, in welchem ein Kühlmittel zirkuliert, beispielsweise ein Wasser/Glykol-Gemisch. Der Kältekreis 4 ist in 1 mit gestrichelter Linie dargestellt, der Kühlmittelkreislauf 6 mit durchgezogener Linie. Der Kühlmittelkreislauf 6 ist ein Kühlkreis, in welchem das Kühlmittel üblicherweise eine Temperatur zwischen etwa –25 bis +70 °C oder sogar bis +90 °C aufweist. Das Wärmepumpensystem 2 weist weiterhin ein Klimagerät 8 auf, zur Klimatisierung eines Fahrgastraums 10, d. h. eines Innenraums, des Fahrzeugs. Dazu weist das Klimagerät 8 einen Klima-Verdampfer 12 auf, welcher an den Kältekreis 4 angeschlossen ist, sowie einen Heizungswärmetauscher 14, welcher an den Kühlmittelkreislauf 6 angeschlossen ist. Der Klima-Verdampfer 12 dient dann der Kühlung und Entfeuchtung des Fahrgastraums 10, der Heizungswärmetauscher 14 dient der Beheizung.
  • Weiterhin umfasst das Klimagerät 8 einen Luftkanal 16 zur Zuleitung von Luft L in den Fahrgastraum 10. Dabei ist der Heizungswärmetauscher 14 bezüglich der einströmenden Luft L stromab des Klima-Verdampfers 12 angeordnet, sodass je nach Betrieb der beiden Komponenten die Luft L erwärmt, gekühlt oder beides wird.
  • Das Wärmepumpensystem 2 ist mittels eines Steuerungssystems 22 zunächst zwischen einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb umschaltbar. Dabei erfolgt im Heizbetrieb eine Beheizung des Fahrgastraums 10 mittels des Heizungswärmetauschers 14, im Kühlbetrieb erfolgt dagegen eine Kühlung und Entfeuchtung des Fahrgastraums 10 mittels des Klima-Verdampfers 12. Die zur Beheizung verwendete Wärme wird dem Heizungswärmetauscher 14 über den Kühlmittelkreislauf 6 zugeführt. Dazu ist der Heizungswärmetauscher 14 in einem Heizzweig 24 an den Kühlmittelkreislauf 6 angeschlossen. In diesem Heizzweig 24 ist ebenfalls ein Kondensator 26 angeschlossen, zur Übertragung von Wärme vom Kältekreis 4 in den Kühlmittelkreislauf 6. Der Kondensator 26 ist als wassergekühlter Kondensator ausgebildet, mit einem geeigneten Wärmetauscher, welcher an den Kühlmittelkreislauf 6 angeschlossen ist. Als weitere Wärmequelle ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel im Heizzweig 24 zusätzlich ein Zuheizer 28 angeordnet, und zwar stromauf des Heizungswärmetauschers 14 und stromab des Kondensators 26. Des Weiteren ist im Heizzweig 24 eine Heizkreispumpe 30 angeordnet, und zwar in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel stromauf des Kondensators 26, zur Förderung von Kühlmittel. Grundsätzlich sind aber auch andere Positionen geeignet.
  • Der Kühlmittelkreislauf 6 umfasst in 1 drei Abschnitte, die an zwei Verzweigungen V1, V2 miteinander verbunden sind. Auf einem ersten Abschnitt ist ein NT-Kühler 44 angeordnet. Der zweite Abschnitt ist der Heizzweig 24 mit einem Vorlauf 31 und einem nicht näher bezeichneten Rücklauf. Der dritte Abschnitt ist ein Kühlzweig 33. Stromab des ersten Abschnitts ist dann eine der Verzweigungen V1, V2 als erste Verzweigung V1 angeordnet. An dieser ersten Verzweigung V1 beginnen der Vorlauf 31 des Heizzweigs 24 und der Kühlzweig 33. Stromab der beiden Zweige 24, 33 werden diese an der anderen der beiden Verzweigungen V1, V2 als zweite Verzweigung V2 zusammengeführt und münden gemeinsam in den ersten Abschnitt.
  • Um die von dem Kondensator 26 in den Heizzweig 24 eingetragene Wärme optimal zur Beheizung des Fahrgastraums 10 zu verwenden, ist der Heizzweig 24 über ein Absperrventil 32 absperrbar. Dazu ist das Absperrventil 32 hier im Vorlauf 31 des Heizzweiges 24 angeordnet. Zusätzlich wird über einen Rückführzweig 34 eine Heizschleife 36 ausgebildet, mittels derer Kühlmittel von einer ersten Abzweigung 38 stromab des Heizungswärmetauschers 14 zu einer zweiten Abzweigung 40 des Heizzweigs 24 stromauf des Kondensators 26 zurückgeführt wird. Der Heizzweig 24 erstreckt sich zwischen der ersten Abzweigung 38 und der zweiten Abzweigung 40. Stromauf der zweiten Abzweigung 40 und stromab der ersten Verzweigung V1 ist der Vorlauf 31 des Heizzweigs 24 angeordnet. Der Vorlauf 31 des Heizzweigs 24 ist mittels des Absperrventils 32 absperrbar, sodass die Heizschleife 36 im Wesentlichen unabhängig vom übrigen Kühlmittelkreislauf 6 betreibbar ist. Im Heizbetrieb wird dann entsprechend der Heizzweig 24 mittels des Absperrventils 32 abgesperrt, sodass das Kühlmittel in der Heizschleife 36 wiederkehrend über den Kondensator 26, den Zuheizer 28 sowie den Heizungswärmetauscher 14 geführt wird.
  • Parallel zum Heizzweig 24 weist der Kühlmittelkreislauf 6 den Kühlzweig 33 auf, zur Kühlung mindestens einer Fahrzeugkomponente 42 des Fahrzeugs. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit lediglich eine Fahrzeugkomponente 42 gezeigt. Demnach kommen grundsätzlich auch Ausführungen mit mehreren Fahrzeugkomponenten 42 in Betracht. Die über die Fahrzeugkomponente 42 aufgenommene Wärme wird entweder über den NT-Kühler 44 im Kühlmittelkreislauf 6 an die Umgebung des Fahrzeugs abgeführt oder mittels eines Chillers 46 in den Kältekreis 4 übertragen. Zur Wärmeabfuhr über den NT-Kühler 44 ist diesem ein Lüfter 45 zugeordnet, der insbesondere als elektrischer Lüfter 44, d.h. als sogenannter E-Lüfter ausgebildet ist, und Umgebungsluft über den NT-Kühler 44 fördert. Zur Wärmeübertragung in den Kältekreis 4 ist der Chiller 46 insbesondere stromab der Fahrzeugkomponente 42 im Kühlzweig 33 angeschlossen. Weiterhin weist der Chiller 46 einen Chiller-Verdampfer auf, über welchen der Chiller 46 an den Kältekreis 4 angeschlossen ist. In Kombination mit dem Kondensator 26 bildet der Chiller 46 insbesondere eine Wärmepumpe zur Übertragung von Wärme aus dem Kühlzweig 33 in den Heizzweig 24. Zudem ist es zusätzlich oder alternativ auch möglich, über den NT-Kühler 44 aus der Umgebung Wärme zu entnehmen und dann mittels des Chillers 46 und des Kondensators 26 zur Beheizung des Fahrgastraums 10 zu verwenden.
  • Im Kältekreis 4 ist dem Chiller 46 ein Expansionsventil 48a vorgeschaltet. Ebenso ist dem Klima-Verdampfer 12 ein Expansionsventil 48b vorgeschaltet. Weiterhin ist im Kältekreis 4 ein Verdichter 50 angeordnet, nämlich stromauf des Kondensators 26.
  • Der Chiller 46 und der Klima-Verdampfer 12 sind im Kältekreis 4 parallel zueinander angeordnet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist zudem zusätzlich ein weiterer Verdampfer 52 parallel zu dem Klimaverdampfer 12 und dem Chiller 46 an den Kältekreis 4 angeschlossen. Dieser weitere Verdampfer 52 dient beispielsweise der Kühlung eines nicht näher gezeigten Hochvoltspeichers des Fahrzeugs. Auch dem weiteren Verdampfer 52 ist ein Expansionsventil 48c zugeordnet.
  • Weiterhin sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zwei innere Wärmetauscher 54 und 56 an den Kältekreis 4 angeschlossen. Dabei dient der innere Wärmetauscher 54 zur Leistungs- und Effizienzsteigerung des Klima-Verdampfers 12 und der weitere innere Wärmetauscher 56 entsprechend zur Leistungs- und Effizienzsteigerung des Chillers 46. In einer nicht gezeigten Alternative ist dagegen lediglich ein innerer Wärmetauscher 54 im Kältekreis 4 vorgesehen, der dann gemeinsam für den Klima-Verdampfer 12 und den Chiller 46 eingesetzt wird.
  • Aufgrund der speziellen Verschaltung des Wärmepumpensystems 2 lassen sich in diesem mehrere Betriebsmodi BM zur optimalen Klimatisierung des Fahrzeugs realisieren. Die unterschiedlichen Betriebsmodi BM werden mittels des Steuerungssystems 22 durch eine Steuerung der einzelnen Komponenten des Wärmepumpensystems 2 eingestellt, nämlich durch eine Steuerung und/oder Regelung des Absperrventils 32, des Expansionsventils 48a vor dem Chiller 46, des Verdichters 50, des Bypass-Ventil 62 sowie eines Lüfter 45 zur Steuerung des Luftdurchsatzes am NT-Kühler 44. Diese Komponenten sind insbesondere Stellglieder des Steuerungssystems 22. Dabei ermöglicht die besondere Verschaltung des Wärmepumpensystems 2 einen automatischen und insbesondere auch gleitenden oder kontinuierlichen Übergang zwischen den diversen Betriebsmodi BM, wobei ein jeweiliger Übergang besonders geräuscharm erfolgt, lediglich ein Minimum an Schaltvorgängen benötigt und insbesondere keine Wartezeiten und Richtungsumkehrungen benötigt. Dadurch ist das Wärmesystem 2 im Betreib besonders stabil, geräuscharm und effizient.
  • Anhand der 2 bis 7 werden im Folgenden diverse Steuer- und Regelkonzepte der oben erwähnten Komponenten beschrieben und in diesem Zusammenhang auch die diversen Betriebsmodi BM zur Bedienung unterschiedlicher Klimatisierungsanforderungen näher erläutert. Diese Steuer- und Regelkonzepte werden mittels des Steuerungssystems 22 umgesetzt und ausgeführt. Die entsprechenden Bauteile und Komponenten zur konkreten Implementierung der Konzepte sind dann jeweils insbesondere ein Teil des Steuerungssystems 22.
  • Grundsätzlich weist das gezeigte Wärmepumpensystem 2 einen Kühlbetrieb, auch Sommerbetrieb, einen Heizbetrieb, auch Winterbetrieb, sowie mehrere Mischbetriebe als Übergangsbetriebe zwischen dem Kühl- und dem Heizbetrieb auf. In diesen Mischbetrieben ist dann ein kombiniertes Heizen und Kühlen realisiert. In einem ersten Mischbetrieb wird ausgehend vom Heizbetrieb zunächst der Klima-Verdampfer 12 hinzugeschaltet. In einem zweiten Mischbetrieb wird dann ausgehend vom ersten Mischbetrieb die Heizleistung reduziert, indem die Leistung des Chillers 46 und somit der Wärmepumpe zurückgefahren wird. In einem dritten Mischbetrieb wird dann ausgehend vom zweiten Mischbetrieb das Absperrventil getaktet betrieben, um überschüssige Wärme aus dem Heizzweig 24 abzuführen. Ausgehend vom dritten Mischbetrieb wird dann der Kühlbetrieb erreicht, indem das Absperrventil 32 durchgängig geöffnet wird.
  • Von den vorgenannten Betriebsmodi BM ist allgemein immer nur einer aktiv, d.h. zu einem gegebenen Zeitpunkt ist immer nur ein bestimmter Betriebsmodus BM eingestellt. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass die Betriebsmodi BM unter Anderem durch die Schaltstellungen der diversen Stellglieder des Steuerungssystems 22 definiert sind und sich daher gegenseitig ausschließen. Zusätzlich zu den Betriebsmodi BM sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel als Zusatzkonfigurationen des Wärmepumpensystems 2 noch eine Wärmespeicherkonfiguration WS und eine NT-Heizkonfiguration NTH einstellbar, welche auch gleichzeitig zu einem oder mehreren der genannten Betriebsmodi BM einstellbar sind. Insbesondere ist der NT-Heizbetrieb gleichzeitig zu einem der Mischbetriebe oder zum Heizbetrieb einstellbar und aktiviert auch automatisch den Wärmespeicherbetrieb, sodass diese beiden Betriebsmodi BM dann gleichzeitig aktiv sind.
  • 2 zeigt ein Regelungskonzept für den Verdichter 50, auch als elektrischer Kältemittelverdichter, kurz EKMV, bezeichnet. Die Steuergröße ist hierbei eine Drehzahl des Verdichters 50, d. h. eine Verdichterdrehzahl VD, welche maßgeblich die vom Verdichter 50 aufgebrachte Leistung bestimmt und damit mittelbar eine Klimatisierungsleistung des Klima-Verdampfers 12 und der Wärmepumpe, d. h. insbesondere des Chillers 46. Grundsätzlich erfolgt die Regelung zunächst über einen ersten und einen zweiten Regler R1, R2, wobei lediglich der Ausgang eines der Regler R1, R2 in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen und/oder des Klimatisierungsbedarfs ausgewählt und dann verwendet wird. Bei einem reinen Heizbedarf, d. h. für den Heizbetrieb, erfolgt eine Regelung mittels des ersten Reglers R1, wobei die Regelgröße dann eine Heizzweig-Isttemperatur T-HZ-I ist, d. h. eine Temperatur des Kühlmittels im Heizzweig, und zwar vorzugsweise gemessen zwischen dem Kondensator 26 und dem Heizungswärmetauscher 14. Die Temperatur des Kühlmittels an dieser Stelle bestimmt die Heizleistung des Heizungswärmetauschers 14 und damit die Beheizung des Fahrgastraums 10. Zum Erreichen einer bestimmten Temperatur des Fahrgastraums 10, welche beispielsweise vom Nutzer über ein Bedienelement vorgegeben wird oder von einer übergeordneten Klimatisierungsfunktionslogik vorgegeben wird, muss dann das Kühlmittel am Heizungswärmetauscher 14 eine bestimmte Heizzweig-Solltemperatur T-HZ-S aufweisen, welche als Führungsgröße für den ersten Regler R1 verwendet wird, welcher auch als Heiz-Regler R1 bezeichnet wird.
  • Für den Kühlbetrieb und die Mischbetriebe, d.h. für denjenigen Betriebsmodi BM, für welche der Klima-Verdampfer 12 aktiviert und zur Wärmeaufnahme verwendet wird, erfolgt dagegen mittels des zweiten Reglers R2, auch als Kühl-Regler R2 bezeichnet, eine Regelung in Abhängigkeit einer Verdampfer-Isttemperatur T-KV-I, d. h. derjenigen Temperatur, welche die Luft aufweist, die den Klima-Verdampfer 12 zwecks Kühlung überströmt. Die Führungsgröße ist dann eine Verdampfer-Solltemperatur T-KV-S, welche beispielsweise vom Nutzer eingestellt und vorgegeben wird oder von einer übergeordneten Klimatisierungsfunktionslogik vorgegeben wird. Zu beachten ist hierbei, dass gerade auch in den Mischbetrieben, in denen gleichzeitig zu einer Kühlanforderung in Form der Verdampfer-Solltemperatur T-KV-S auch eine Heizanforderung in Form der Heizzweig-Solltemperatur T-HZ-S vorliegt, die Regelung des Verdichters 50 in Abhängigkeit der Kühlanforderung erfolgt. Lediglich im Heizbetrieb erfolgt die Regelung mittels des ersten Reglers R1.
  • Eine wesentliche Eigenheit der hier vorgestellten Steuerung und Regelung des Wärmepumpensystems 2 mittels des Steuerungssystems 22 ist nun eine zusätzliche Regelstrecke mit einem dritten Regler R3, zur Regelung des Verdichters 50 in Abhängigkeit einer Temperatur des Kühlmittels außerhalb des Heizzweigs 24 und insbesondere einer Temperatur des Kühlmittels stromab des Chiller 46 und stromauf des NT-Kühlers 44. Durch diese zusätzliche Regelstrecke wird ein Vereisen des NT-Kühlers 44 durch ein zu stark im Chiller 46 abgekühltes Kühlmittel effizient vermieden, indem rechtzeitig die Verdichterdrehzahl VD heruntergefahren wird. Dazu wird dem dritten Regler R3 die Temperatur des Kühlmittels als eine Kühlmittel-Isttemperatur T-KM-I als Regelgröße zugeführt und eine minimale Kühlmitteltemperatur T-KM-min im Sinne eines unteren Grenzwerts, der zur Vermeidung einer Vereisung nicht unterschirrten werden soll, als Führungsgröße. Der dritte Regler R3 wird daher auch als Begrenzungs-Regler R3 bezeichnet. Ein besonderes Merkmal des Regelungskonzeptes für den Verdichter 50 ist dann die Auswahl einer der beiden Steuergrößen des ersten Reglers R1 und des dritten Reglers R3, nämlich entweder der betriebsmodusbedingten Steuergröße des ersten Reglers R1 oder der Steuergröße des dritten Reglers R3. Und zwar erfolgt die Auswahl über einen Vergleicher V, welcher einen Minimalvergleich durchführt und die niedrigere der beiden Verdichterdrehzahlen VD einstellt. Dabei erfolgt der Vergleich lediglich zwischen dem ersten Regler R1 und dem dritten Regler R3, d.h. lediglich dann, wenn eine reine Heizanforderung vorliegt und durch eine entsprechend hohe Verdichterleistung zur Bedienung dieser Heizanforderung die Gefahr einer Vereisung am Größten ist. Wird der Verdichter 50 mittels des zweiten Reglers R2 geregelt, wird keine Begrenzung mittels des Vergleichers V durchgeführt. Insgesamt erfolgt also eine betriebsmodusbedingte Auswahl zwischen dem ersten Regler R1 und dem zweiten Regler R2 und im Falle der Auswahl des ersten Reglers R1 eine zusätzliche Begrenzung über den Vergleicher V und den dritten Regler R3.
  • Zusätzlich zu den oben genannten Reglern R1, R2, R3 umfasst das Regelkonzept der 2 eine Begrenzung, welche durch Multiplikation der Steuergröße, d. h. hier des Reglerausgangs insbesondere nach dem Vergleicher, mit einem Begrenzungsfaktor BF erfolgt. Dieser Mechanismus stellt sicher, dass ein minimaler Niederdruck p-N vor dem Verdichter 50 nicht unterschritten wird, ein maximaler Hochdruck p-H nach dem Verdichter 50 nicht überschritten wird und eine maximale Heißgastemperatur T-H des Kältemittels nach dem Verdichter 50 nicht überschritten wird. Für jeden der genannten Fälle wird mittels einer jeweiligen Kennlinie K1 ein Begrenzungsfaktor BF für den zu begrenzenden Wert ermittelt und mit der Steuergröße multipliziert.
  • 3a zeigt ein Regelungskonzept für das Expansionsventil 48a, welches stromauf des Chillers 46 angeordnet ist. Dieses Expansionsventil 48a dient im Wesentlichen zum Einstellen einer bestimmten Überhitzung Ü des Kältemittels vor dem Verdichter 50 und somit letztendlich zum Einstellen der Leistung der Wärmepumpe. Die Überhitzung Ü gibt die Differenz zwischen einer Kältemittel-Isttemperatur T-KM-I vor dem Verdichter 50 und einer druckabhängigen Sattdampftemperatur des Kältemittels an. Die Überhitzung Ü wird üblicherweise in Kelvin angegeben und beträgt beispielsweise zwischen 2 und 15 K.
  • Im Regelungskonzept der 3a erfolgt die Regelung mittels eines vierten Reglers R4, der auch als Überhitzungs-Regler R4 bezeichnet wird. Die Überhitzung Ü ist hierbei die Regelgröße und die Stellgröße ist dann eine Öffnung oder Öffnungsgröße des Expansionsventils 48a. Dabei werden die Temperatur und der Druck des Kältemittels vor dem Verdichter 50 gemessen werden und daraus die vorliegende Überhitzung Ü, d.h. die Ist-Überhitzung in nicht dargestellter Weise über eine Kennlinie ermittelt. Um ein zu häufiges Verstellen zu vermeiden, werde schnelle Änderungen der Temperatur dadurch abgefangen, dass die gemessene Temperatur zeitlich gefiltert, d. h. geglättet wird, wodurch insbesondere die Trägheit eines TxV, also eines thermischen Expansionsventils simuliert wird. Als Führungsgröße wird eine Soll-Überhitzung Ü-S bereitgestellt, welche über eine Kennlinie K2 in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebsmodus BM bestimmt wird. Grundsätzlich ist zunächst auch ein konstanter Wert geeignet, insbesondere im ersten Mischbetrieb ist jedoch eine Anpassung der Überhitzung Ü vorteilhaft, um einen effizienteren Betrieb zu realisieren.
  • Da der Verdichter 50 wie oben beschrieben in den Mischbetrieben über die Differenz aus Verdampfer-Isttemperatur T-KV-I und Verdampfer-Solltemperatur T-KV-S geregelt wird, ist die Leistung des Verdichters 50 entsprechend auf den Klima-Verdampfer 12 und den Chiller der Wärmepumpe aufgeteilt, sodass im ersten Mischbetrieb unter Umständen nicht die geforderte Menge an Wärme in den Heizzweig 24 gelangt und mittels des Zuheizers 28 zugeheizt werden muss. Um dies möglichst zu vermeiden oder den Zuheizer 28 sogar gänzlich einzusparen, wird daher beim ersten Mischbetrieb eine geringere Soll-Überhitzung Ü-S als in anderen Betriebsmodi BM eingestellt, wodurch die Öffnung des Expansionsventils 48a entsprechend größer eingestellt wird und einen größeren Kältemittelmassenstrom durch den Chiller 46 erzeugt, während durch den Klima-Verdampfer 12 ein verringerter Kältemittelmassenstrom strömt. Aufgrund der Regelung des Verdichters 50 relativ zum Klima-Verdampfer 12 wird dann automatisch die Leistung des Verdichters 50 erhöht, sodass wiederum auch mehr Wärme über die Wärmepumpe in den Heizzweig übertragen wird. Durch Anpassung der Soll-Überhitzung Ü-S in Abhängigkeit des Betriebsmodus BM wird dann im ersten Mischbetrieb eine Vertrimmung des Klima-Verdampfers 12 und des Chillers 46 realisiert und eine höhere Verdichterleistung erzwungen als allein aufgrund der Verdampfertemperatur notwendig wäre. Diese zusätzliche Verdichterleistung wird dann zur zusätzlichen Wärmezufuhr in den Heizzweig 24 mittels der Wärmepumpe verwendet, sodass der im Vergleich hierzu ineffiziente Zuheizer 28 zunächst nicht zugeschaltet werden muss.
  • Eine weitere Besonderheit des in 3a gezeigten Regelkonzepts ist die zusätzliche Beeinflussung der vom vierten Regler R4 ausgegebenen Steuergröße durch einen zusätzlichen Abregelfaktor AF, welcher gleichzeitig maßgeblich an der Definition der diversen Betriebsmodi BM beteiligt ist. Der Abregelfaktor AF dient im Wesentlichen zur Realisierung einer Reduzierung der Leistung, die von der Wärmepumpe übertragen wird, und damit der Einstellung des zweiten Mischbetriebs. Da in diesem im Vergleich zum Heizbetrieb und zum ersten Mischbetrieb im Heizzweig 24 lediglich eine geringere Menge an Wärme benötigt wird, wird die Wärmepumpe durch zusätzliches Abregeln des Expansionsventils 48a zurückgenommen und somit dann weniger Wärme vom Kältekreis 4 in den Heizzweig 24 übertragen. Dadurch wird eine unnötig hohe und nicht bedarfsgerechte Wärmemenge im Heizzweig 24 vermieden und die Effizienz des Wärmepumpensystems 2 insgesamt verbessert.
  • Der Abregelfaktor AF wird in dem gezeigten Beispiel als Faktor im Bereich von 0 bis 1 in Abhängigkeit der oben bereits erwähnten Heizzweig-Isttemperatur T-HZ-I, genauer gesagt in Abhängigkeit der Differenz aus der Heizzweig-Solltemperatur T-HZ-S und der Heizzweig-Isttemperatur T-HZ-I. Hierbei wird die Differenz zur Bestimmung eines geeigneten Wertes des Abregelfaktors AF anhand einer Kennlinie K3 verwendet.
  • Ein Beispiel für diese Kennlinie K3 ist in 3b gezeigt, welche den Abregelfaktor AF als Funktion der oben genannten Differenz zeigt. Mit ansteigender Heizzweig-Isttemperatur T-HZ-I wird der Abregelfaktor AF geringer gewählt, sodass das Expansionsventil 48a weiter geschlossen wird und dabei die Leistung des Chiller 46 genau im erforderlichen Maße reduziert wird. Durch diesen zusätzlichen Eingriff in die Regelung mittels des vierten Reglers R4 wird auch die Überhitzung Ü erhöht, was in diesem Fall allerdings hingenommen werden soll. Daher wird für den zweiten Mischbetrieb, d.h. bei einem Abregelfaktor zwischen 0 und 1, zumindest der I-Anteil des vierten Reglers R4 angehalten, in einer Variante auch der P-Anteil, sodass ein Gegenarbeiten des vierten Reglers R4 gegen den zusätzlichen Eingriff über den Abregelfaktor AF verhindert wird.
  • Durch Erreichen des Wertes 0 für den Abregelfaktors AF wird das Wärmepumpensystem 2 automatisch in den dritten Mischbetrieb umgeschaltet. Das Expansionsventil 48a ist dann vollständig geschlossen und die Wärmepumpe ist deaktiviert.
  • Bei der Kennlinie K3 für den Abregelfaktor AF wird zudem berücksichtigt, dass eine maximale Heizzweigtemperatur T-HK-max nicht überschritten werden soll, dass also der Abregelfaktor AF 0 beträgt, bevor oder spätestens wenn die Heizzweig-Isttemperatur T-HZ-I die maximale Heizzweig-Temperatur T-HK-max erreicht. Dadurch wird dann eine Wärmeübertragung mittels der Wärmepumpe bei Erreichen der maximalen Heizzweigtemperatur T-HK-max vermieden. Vielmehr setzt in diesem Fall der dritte Mischbetrieb dadurch ein, dass über eine geeignete Taktung des Absperrventils 32 jegliche überschüssige Wärme aus dem Heizzweig 24 entfernt wird. Der Übergang zwischen dem zweiten und dem dritten Mischbetrieb ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Wärmepumpe nicht weiter zurückgefahren werden kann, aber dennoch überschüssige Wärme im Heizzweig vorhanden ist, sodass nun der Heizzweig 24 über das Absperrventil 32 geöffnet wird.
  • In jenen Fällen, in welchen der Chiller 46 nicht aktiv ist, d. h. insbesondere im dritten Mischbetrieb, wird dann auch der I-Anteil des vierten Reglers R4 angehalten, um bei einer erneuten Aktivierung des Chillers 46 zu verhindern, dass der vierte Regler R4 das Expansionsventil 48a in eine Anschlagsposition verfährt, also direkt vollständig öffnet. Dadurch werden insbesondere unnötige Schaltgeräusche und eine übermäßige akustische Belastung der Umgebung vermieden.
  • Auch für die NT-Heizkonfiguration NTH wird das Expansionsventil 48a stromauf des Chillers 46 vollständig geschlossen, da hierbei die zum Heizen verwendete Wärme dem Kühlmittelkreislauf entnommen wird und die Wärmepumpe nicht benötigt wird, wodurch entsprechend Energie eingespart wird, welche ansonsten zum Betrieb des Verdichters 50 zwecks Wärmeübertragung mittels der Wärmepumpe benötigt würde. In bestimmten Situationen ist ein vollständiges Schließen des Expansionsventils 48a vor dem Chiller 46 jedoch nachteilig, sodass in solchen Fällen die Regelung umgangen wird und stattdessen eine Mindestöffnung eingestellt wird, indem für die Steuergröße ein Minimalwert ExV-min als unterer Grenzwert verwendet wird. Besonders sinnvoll ist dieses Vorgehen beim Starten des Wärmepumpensystems 2, d. h. insbesondere beim Starten des Fahrzeugs, sodass schon beim Abstellen des Fahrzeugs die Mindestöffnung eingestellt wird, um beim Starten dann entsprechend eingestellt zu sein. Eine solche geöffnete Stellung bei einem inaktivem Wärmepumpensystem 2 und allgemein inaktivem Fahrzeug ermöglicht zudem einen Druckausgleich im Kältekreis 4, sodass auffällige Druckpulse und Geräusche beim Starten vermieden werden.
  • Das Einstellen einer Mindestöffnung ist insbesondere erforderlich für den Heizbetrieb und besonders für den ersten Mischbetrieb und generell für solche Situationen und Betriebsmodi BM, in welchen zusätzlich zum Expansionsventil 48a vor dem Chiller 46 auch das Expansionsventil 48b vor dem Klima-Verdampfer 12 verwendet wird und geöffnet ist. In dieser Situation beeinflussen die beiden Expansionsventile 48a, 48b und grundsätzlich insbesondere auch das Expansionsventil 48c gemeinsam die Überhitzung Ü vor dem Verdichter 50. Durch Vorgabe der Mindestöffnung wird dann ein zu starkes Schließen des Expansionsventils 48a vor dem Chiller 46 vermieden. Dies wirkt sich in besonderem Maße stabilisierend auf den Betrieb des Wärmepumpensystems 2 aus. Generell ist eine Mindestöffnung insbesondere deswegen notwendig, damit im ersten Mischbetrieb durch den Chiller 46 unabhängig von der Überhitzung ein Mindestmassenstrom fließt. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass beispielsweise bei geöffnetem Expansionsventil 48b am Klima-Verdampfer 12 und bei einer Einstellung der Öffnung des Expansionsventils 48a geringer als die Mindestöffnung, die Überhitzung Ü wegen der Beeinflussung durch das Expansionsventil 48b unter Umständen schon niedriger ist als die Sollüberhitzung Ü-S und das Expansionsventil 48a in dieser Situation noch weiter schließen würde, wodurch der Massenstrom durch den Chiller 46 bis auf 0 reduziert würde. Ohne die Mindestöffnung würde daher eine Wärmeaufnahme erst gar nicht starten.
  • 4a zeigt ein Steuerkonzept für das Absperrventil 32, d. h. ein Konzept zum automatischen und bedarfsweisen Verbinden und Trennen des Heizzweigs 24 vom übrigen Kühlmittelkreislauf 6. Grundsätzlich ist das Absperrventil 32 für den Kühlbetrieb geöffnet, um einen Kühlmittelaustausch sowie eine Wärmeabfuhr über den NT-Kühler 44 zu realisieren, während das Absperrventil 32 für den Heizbetrieb durchgängig geschlossen ist, um möglichst viel Wärme im Heizzweig 24 und in der Heizschleife 36 zu halten. Auch zur Realisierung des ersten und des zweiten Mischbetriebs, in welchem jeweils lediglich die Heizleistung über die Wärmeaufnahme am Chiller der Wärmepumpe reduziert wird, ist das Absperrventil 32 durchgehend geschlossen. Lediglich bei einer zu starken Ansammlung von Wärme im Heizzweig 24 wird das Absperrventil 32 getaktet betrieben und dadurch der dritte Mischbetrieb eingestellt.
  • Die Steuerung des Absperrventils 32 erfolgt hierzu durch Vorgabe eines Takts TAV zur wiederkehrenden Öffnung und Schließung des Absperrventils 32. Dieses wird demnach während eines ersten Zeitintervalls t-o geöffnet, anschließend während eines zweiten Zeitintervalls t-g geschlossen, wobei die beiden Zeitintervalle t-o und t-g dann in Summe eine Periodendauer PD ergeben. Diese beträgt beispielsweise 3,6 s, die beiden Zeitintervalle t-o und t-g weisen dann entsprechend Werte zwischen 0 und 3,6 s auf. Der vorgegebene Takt TAV ist beispielsweise das Verhältnis des ersten Zeitintervalls t-o zur Periodendauer PD. Der Takt TAV wird über eine Kennlinie K4 ermittelt, welche den einzustellenden Takt TAV mit der Temperatur des Kühlmittels im Heizzweig 24 verknüpft. In dem besonderen Steuerkonzept der 4a erfolgt die Auswahl anhand der Kennlinie K4 in Abhängigkeit der Differenz zwischen der Heizzweig-Isttemperatur T-HZ-I und einer maximalen Heizzweig-Solltemperatur T-HZ-S-max, welche wiederum in Abhängigkeit der Heizzweig-Solltemperatur T-HZ-S über eine Kennlinie K5 ermittelt wird.
  • Das Steuerungssystem 22 steuert somit das Absperrventil 32 in Abhängigkeit der vom Nutzer oder der übergeordneten Klimatisierungsfunktionslogik vorgegebenen Heizzweig-Solltemperatur T-HZ-S angesteuert und diese Steuerung mittels einer maximalen Temperatur für den Heizzweig 24 begrenzt. Zur Verdeutlichung zeigt 4b eine beispielhafte Kennlinie K4 zur Bestimmung des Takts TAV. Bei geringer Heizzweig-Isttemperatur T-HZ-I wird das Absperrventil 32 durchgehend geschlossen gehalten, indem hier eine Taktung TAV von 0 ausgewählt wird. Dadurch wird Wärme im Heizzweig 24 gehalten und der Heizbetrieb oder der erste oder zweite Mischbetrieb eingestellt. Besteht jedoch die Gefahr, dass die maximale Heizzweig-Solltemperatur T-HZ-S-max erreicht oder überschritten wird, wird das Absperrventil 32 getaktet betrieben, indem ein Takt TAV zwischen 0 und 1 ausgewählt wird. Demnach wird automatisch der dritte Mischbetrieb eingestellt, falls mehr Wärme als benötigt im Heizzweig 24 vorhanden ist.
  • Bei weiterer Erhöhung der Heizzweig-Isttemperatur T-HZ-I wird dann der Kühlbetrieb eingestellt und das Absperrventil 32 durch Einstellen eines Takts TAV von 1 durchgehend geöffnet, um eine maximale Wärmeabfuhr aus dem Heizzweig 24 zu gewährleisten. Die Steuerung des Absperrventils 32 stellt also automatisch den geeigneten Takt TAV ein und gewährleistet einen kontinuierlichen Übergang zwischen den Betriebsmodi BM, insbesondere zwischen den Betriebsmodi BM mit einer Heizanforderung, d.h. hier dem Heizbetrieb und dem ersten und zweiten Mischbetrieb, und den Betriebsmodi BM mit im Vergleich dazu geringer oder verschwindender Heizanforderung, d.h. dem dritten Mischbetrieb und dem Kühlbetrieb. Von besonderer Bedeutung für einen optimalen Übergang ist hierbei eine entsprechend geeignete Bedatung, d. h. Auslegung der Kennlinien K4, K5, beispielsweise durch Ermittlung über eine Versuchsreihe. Um weiterhin ein gleichzeitiges Vorliegen des zweiten und des dritten Mischbetriebs zu vermeiden und dadurch die Effizienz zu verbessern, sind der Abregelfaktor AF im zweiten Mischbetrieb und das erste Zeitintervall t-o, d.h. die Öffnungszeit im dritten Mischbetrieb aufeinander abgestimmt. Maßgeblich ist hierbei insbesondere, dass der Abregelfaktor AF 0 ist, sobald das erste Zeitintervall größer als 0 wird.
  • Für das Wärmepumpensystem 2 ist weiterhin die Wärmeabfuhr über den NT-Kühler 44 von integraler Bedeutung. Dabei soll ein unnötiges Abführen von Wärme möglichst vermieden werden. Hierzu weist der Kühlmittelkreislauf 6 parallel zum NT-Kühler 44 einen NT-Kühlerbypass 60 mit einem Bypass-Ventil 62 auf. Die Stellung dieses Bypass-Ventil 62 definiert dabei eine Wärmespeicherkonfiguration WS, wobei bei offenem Bypass-Ventil 62 die Wärmespeicherkonfiguration WS eingestellt ist und keine oder eine lediglich geringe Wärmeabfuhr über den NT-Kühler 44 erfolgt. Stattdessen wird das Kühlmittel zum Großteil über den NT-Kühlerbypass 60 geführt. Diese Konfiguration wird zweckmäßigerweise lediglich dann aktiviert, wenn eine Heizanforderung vorliegt und dem Heizungswärmetauscher 14 Wärme zugeführt werden soll.
  • In einer nicht gezeigten Alternative wird anstelle des Bypass-Ventils 62 ein 3/2-Wegeventil verwendet oder es werden zwei Absperrventile verwendet, und zwar derart, dass bei geöffnetem NT-Kühlerbypass 60 der NT-Kühler 44 abgesperrt wird und dann jeglicher Kühlmittelstrom durch diesen unterbunden ist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere effizienter.
  • Bei bestimmten Umgebungsbedingungen, die in 5 dargestellt sind, wird die im Kühlmittelkreislauf 6 enthaltene Wärme dann nicht an die Umgebung abgegeben, sondern dem Heizzweig 24 zugeführt. Hierzu muss das Absperrventil 32 entsprechend geöffnet sein. Wie aus 5 ersichtlich ist, erfolgt die Einstellung der Wärmespeicherkonfiguration WS in Abhängigkeit einer Außentemperatur T-a, der Kühlmittel-Isttemperatur T-KM-I und einer maximalen Kühlmitteltemperatur T-KM-max. Dabei stellt die maximale Kühlmitteltemperatur T-KM-max einen oberen Grenzwert für die Temperatur des Kühlmittels dar, der nicht überschritten werden soll, um durch Wärmeabgabe über den NT-Kühler 44 eine zu starke Erwärmung des Kühlmittels zu verhindern. Die Wärmespeicherkonfiguration WS wird dann aktiviert, falls die Kühlmittel-Isttemperatur T-KM-I größer ist als die Außentemperatur T-a, sodass also zumindest potentiell Wärme an die Umgebung abgegeben werden könnte, und falls die Kühlmittel-Isttemperatur T-KM-I geringer ist als die maximale Kühlmitteltemperatur T-KM-max. Entsprechend wird in diesem Fall das Bypass-Ventil 62 automatisch umgeschaltet.
  • Wie in 5 angedeutet wird die Wärmespeicherkonfiguration WS auch automatisch aktiviert, falls die NT-Heizkonfiguration NTH aktiv ist. In dieser Konfiguration wird der Heizungswärmetauscher 14 besonders effizient direkt mit Wärme aus dem Kühlzweig 33 versorgt, ohne den Umweg über die Wärmepumpe zu gehen. Stattdessen wird das im Kühlzweig 33 erwärmte Kühlmittel am NT-Wärmetauscher 44 vorbei in den Heizzweig 24 geführt und dadurch die Effizienz des Wärmepumpensystems 2 deutlich verbessert.
  • Die Aktivierung der NT-Heizkonfiguration NTH unterliegt jedoch bestimmten Anforderungen, die in 6 genauer dargestellt sind. Demnach stellt das Steuerungssystem 22 die NT-Heizkonfiguration NTH dann ein, falls die Heizzweig-Solltemperatur T-HZ-S geringer ist als die Kühlmittel-Isttemperatur T-KM-I und größer ist als die Heizzweig-Isttemperatur T-HZ-I. Mit anderen Worten: die Heizanforderung ist gerade derart, dass überhaupt ein Wärmebedarf besteht und dass das Kühlmittel stromab des Chillers 46 eine höhere Temperatur aufweist als im Heizzweig 24, d. h. ein geeignetes Wärmepotential vorliegt und das Kühlmittel am Heizungswärmetauscher 14 Wärme abgibt. Durch die untere Beschränkung der Aktivierung durch die Heizzweig-Isttemperatur T-HZ-I wird zudem vermieden, dass bei einer Änderung der Heizanforderung durch den Nutzer hin zu einer geringeren Heizanforderung unnötig Wärme aus dem Heizzweig 24 entnommen wird, wodurch wiederum die Effizienz des Wärmepumpensystems 2 verbessert ist. Ist die NT-Heizkonfiguration aktiviert, übersteigt die Heizzweig-Isttemperatur möglicherweise die Heizzweig-Solltemperatur. Solange die Kühlmittel-Isttemperatur jedoch hinreichend groß ist, d.h. insbesondere größer als die Heizzweig-Solltemperatur, bleibt die NT-Heizkonfiguration aktiviert.
  • In solchen Fällen, in denen der NT-Kühler 44 zum Wärmetausch mit der Umgebung verwendet wird, wird der Wärmetausch zweckmäßigerweise an die jeweilige Situation angepasst. Dieser Wärmetausch wird maßgeblich durch einen Luftstrom über den NT-Kühler 44 bestimmt, d.h. eine Menge an Umgebungsluft, die pro Zeit mittels des Lüfters 45 über den NT-Kühler 44 geführt wird. Der Lüfter 45 ist hier ein elektrisch angetriebener Lüfter 45, auch E-Lüfter genannt, mit einer einstellbaren Lüfterdrehzahl LD, zur Einstellung des Luftstroms und somit eines bestimmten Wärmetauschs.
  • Für einen je nach Situation optimalen Wärmetausch mit der Umgebung wird die Lüfterdrehzahl LD in dem hier dargestellten Ausführungsbespiel gemäß dem Steuerungskonzept der 7 eingestellt. Demnach wird die Lüfterdrehzahl LD mittels einer Kennlinie K6 in Abhängigkeit der Kühlmittel-Isttemperatur T-KM-I und einer minimalen Kühlmitteltemperatur T-KM-min ausgewählt und der Lüfter 45 von dem Steuerungssystem 22 entsprechend angesteuert. Die minimale Kühlmitteltemperatur T-KM-min gibt dabei einen unteren Grenzwert an, welcher verhindert, dass das Kühlmittel am NT-Kühler 44 derart stark abgekühlt wird, dass dieser vereist. Dazu wird die minimale Kühlmitteltemperatur T-KM-min beispielsweise in hier nicht dargestellter Weise über eine Kennlinie in Abhängigkeit der Außentemperatur T-a bestimmt und insbesondere derart, dass die minimale Kühlmitteltemperatur T-KM-min höchstens unwesentlich geringer ist als der Taupunkt der Umgebungsluft in der aktuellen Situation. Üblicherweise ist minimale Kühlmitteltemperatur T-KM-min dabei geringer als die Außentemperatur T-a.
  • Die Kennlinie K6 ist nun derart ausgebildet, dass bei Annäherung der Kühlmittel-Isttemperatur T-KM-I an die minimale Kühlmitteltemperatur T-KM-min, d. h. bei geringer werdender Differenz zwischen den beiden Temperaturen, die Lüfterdrehzahl LD erhöht wird, um durch Erwärmung des Kühlmittels eine Vereisung des NT-Kühlers zu vermeiden. Eine weitere Kennlinie K7 ist derart ausgebildet, dass bei der Wärmeabfuhr über den NT-Kühler und bei steigender Kühlmittel-Isttemperatur T-KM-I eine höhere Lüfterdrehzahl LD eingestellt wird, um das entsprechend wärmere Kühlmittel im NT-Kühler stärker abzukühlen. Die Auswahl der Lüfterdrehzahl LD aus den beiden Kennlinien K6, K7 erfolgt durch eine Maximal-Auswahl M, d.h. die größere der beiden Lüfterdrehzahlen LD wird verwendet. In der Wärmespeicherkonfiguration WS wird dagegen auf eine Steuerung des Lüfters 45 verzichtet und dieser insbesondere gänzlich deaktiviert, da ein Wärmetausch mit der Umgebung in diesem Fall nicht benötigt wird und nicht erwünscht ist. Der Luftdurchsatz ist somit insgesamt bedarfsangepasst gesteuert und dadurch besonders effizient. Lediglich bei entsprechendem Bedarf wird die Lüfterdrehzahl LD erhöht, sodass durch die Steuerung insgesamt auch eine verbesserte Akustik des Wärmepumpensystems 2 erzielt wird.
  • Insgesamt wird das Verhalten des Steuerungssystems 22 und somit des Wärmepumpensystem 2 maßgeblich durch die Heizanforderung des Nutzers oder einer übergeordneten Klimatisierungsfunktionslogik über die Heizzweig-Solltemperatur T-HZ-S, durch die Kältemittel-Isttemperatur T-KM-I als Ausdruck der Wärme innerhalb des Wärmepumpensystems 2 und durch die Außentemperatur T-a als Ausdruck der Witterung und der Umgebungsverhältnisse geregelt und gesteuert. Die genannten Steuer- und Regelkonzepte eignen sich dabei besonders für das in 1 dargestellt Wärmepumpensystem 2, sind grundsätzlich aber auch auf andere Wärmepumpensysteme 2 sowie auf Erweiterungen dieses Wärmepumpensystems um z.B. eine kühlmittelgekühlte Hochvoltspeicherkühlung übertragbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Wärmepumpensystem
    4
    Kältekreis
    6
    Kühlmittelkreislauf
    8
    Klimagerät
    10
    Fahrgastraum
    12
    Klima-Verdampfer
    14
    Heizungswärmetauscher
    16
    Luftkanal
    22
    Steuerungssystem
    24
    Heizzweig
    26
    Kondensator
    28
    Zuheizer
    30
    Heizkreispumpe
    31
    Vorlauf (des Heizzweigs)
    32
    Absperrventil
    33
    Kühlzweig
    34
    Rückführzweig
    36
    Heizschleife
    38
    erste Abzweigung
    40
    zweite Abzweigung
    42
    Fahrzeugkomponente
    44
    NT-Kühler
    45
    Lüfter
    46
    Chiller
    48a, 48b, 48c
    Expansionsventil
    50
    Verdichter
    52
    weiterer Verdampfer
    54
    innerer Wärmetauscher
    56
    weiterer innerer Wärmetauscher
    58
    Rückschlagventil
    60
    NT-Kühlerbypass
    62
    Bypass-Ventil
    64
    Ausgleichsbehälter
    66
    Pumpe
    AF
    Abregelfaktor
    BF
    Begrenzungsfaktor
    BM
    Betriebsmodus
    ExV-min
    Minimalwert
    K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7
    Kennlinie
    L
    Luft
    LD
    Lüfterdrehzahl
    M
    Maximal-Auswahl
    NTH
    NT-Heizkonfiguration
    PD
    Periodendauer
    p-H
    maximaler Hochdruck
    p-N
    minimaler Niederdruck
    R1
    erster Regler, Heiz-Regler
    R2
    zweiter Regler, Kühl-Regler
    R3
    dritter Regler, Begrenzungs-Regler
    R4
    vierte Regler, Überhitzungs-Regler
    T-a
    Außentemperatur
    TAV
    Takt
    T-H
    maximale Heißgastemperatur
    T-HZ-I
    Heizzweig-Isttemperatur
    T-HZ-S
    Heizzweig-Solltemperatur
    T-HZ-S-max
    maximale Heizzweig-Solltemperatur
    T-KM-I
    Kühlmittel-Isttemperatur
    T-KM-max
    maximale Kühlmitteltemperatur
    T-KM-min
    minimale Kühlmitteltemperatur
    T-KV-I
    Verdampfer-Isttemperatur
    T-KV-S
    Verdampfer-Solltemperatur
    t-o
    erstes Zeitintervall
    t-g
    zweites Zeitintervall
    V V
    ergleicher
    VD
    Verdichterdrehzahl
    V1
    erste Verzweigung
    V2
    zweite Verzweigung
    WS
    Wärmespeicherkonfiguration
    Ü
    Überhitzung
    Ü-S
    Sollüberhitzung
  • 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 102014217960 [0003]

Claims (25)

  1. Steuerungssystem (22) zur Klimatisierung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, wobei – eine Klimatisierungsanforderung für einen Fahrgastraum (10) des Fahrzeugs dadurch bedient wird, dass in Abhängigkeit der Klimatisierungsanforderung einer von mehreren Betriebsmodi (BM) automatisch eingestellt wird, – der Fahrgastraum (10) mittels eines Klima-Verdampfers (12) gekühlt wird, falls die Klimatisierungsanforderung eine Kühl- oder Entfeuchtungsanforderung umfasst und/oder mittels eines Heizungswärmetauschers (14) beheizt wird, falls die Klimatisierungsanforderung eine Heizanforderung umfasst, – der Heizungswärmetauscher (14) in einem Heizzweig (24) eines Kühlmittelkreislaufs (6) angeordnet ist und über eine Wärmepumpe mit Wärme versorgt wird, welche einen Chiller (46) und einen Kondensator (26) aufweist, welche beide an einen Kältekreis (4) angeschlossen sind und wobei der Chiller (46) in einem Kühlzweig (33) des Kühlmittelkreislaufs (6) angeordnet ist und der Kondensator (26) im Heizzweig (24), – im Falle einer Kühlanforderung ohne eine zusätzliche Heizanforderung der Heizzweig (24) geöffnet wird, der Chiller der Wärmepumpe deaktiviert wird und auf diese Weise ein Kühlbetrieb realisiert wird, – im Falle einer Heizanforderung ohne eine zusätzliche Kühlanforderung der Heizzweig (24) geschlossen wird, dem Heizungswärmetauscher (14) über den Kondensator der Wärmepumpe, über den Kühlzweig (33) und/oder durch Wärmeaufnahme über den NT-Kühler (44) Wärme zugeführt wird und auf diese Weise ein Heizbetrieb realisiert wird, und – wobei zur Wärmeabfuhr aus dem Heizzweig (24) dieser geöffnet wird und der NT-Kühler (44), der Kondensator (26) und der Heizungswärmetauscher (14) in Serie geschaltet betrieben werden.
  2. Steuerungssystem (22) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, – dass ausgehend vom Heizbetrieb ein erster Mischbetrieb dadurch eingestellt wird, dass der Klima-Verdampfer (12) aktiviert wird, – dass ausgehend vom ersten Mischbetrieb ein zweiter Mischbetrieb dadurch eingestellt wird, dass die Heizleistung reduziert wird, indem ein Expansionsventil (48a) abgeregelt wird, welches dem Chiller (46) im Kältekreis (4) vorgeschaltet ist, – dass ausgehend vom zweiten Mischbetrieb ein dritter Mischbetrieb dadurch eingestellt wird, dass der Heizzweig (24) getaktet betrieben wird, – dass ausgehend vom dritten Mischbetrieb der Kühlbetrieb dadurch eingestellt wird, dass der Heizzweig (24) durchgängig geöffnet wird.
  3. Steuerungssystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Leistung eines Verdichters (50) regelt und dazu einen ersten Regler (R1) und einen zweiten Regler (R2) aufweist, mittels derer eine Verdichterdrehzahl (VD) der Verdichters (50) eingestellt wird, die jeweils als eine Steuergröße für die beiden Regler (R1, R2) dient, wobei lediglich einer der beiden Regler (R1, R2) sowie dessen Steuergröße in Abhängigkeit des Klimatisierungsbedarfs zur Regelung des Verdichters (50) ausgewählt werden.
  4. Steuerungssystem (22) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizbetrieb der Verdichter (50) mittels des ersten Reglers (R1) geregelt wird, wobei als eine Regelgröße eine Heizzweig-Isttemperatur (T-HZ-I) verwendet wird und eine Heizzweig-Solltemperatur (T-HZ-S) als eine Führungsgröße.
  5. Steuerungssystem (22) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer Kühlanforderung der Verdichter (50) mittels des zweiten Reglers (R2) in Abhängigkeit einer Verdampfer-Isttemperatur (T-KV-I) als eine Regelgröße geregelt wird und als Führungsgröße eine Verdampfer-Solltemperatur (T-KV-S) verwendet wird.
  6. Steuerungssystem (22) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen dritten Regler (R3) aufweist, mittels dessen der Verdichter (50) geregelt wird, indem dem dritten Regler (R3) eine Kühlmittel-Isttemperatur (T-KM-I) als eine Regelgröße und eine minimale Kühlmitteltemperatur (T-KM-min) als eine Führungsgröße zugeführt wird.
  7. Steuerungssystem (22) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus den beiden Steuergrößen des ersten und des dritten Reglers (R1, R3) eine Steuergröße mittels eines Vergleichers (V) ausgewählt wird, wobei der Vergleicher (V) einen Minimalvergleich durchführt und die niedrigere der beiden Steuergrößen auswählt, zur Regelung des Verdichters (50).
  8. Steuerungssystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Überhitzungs-Regler (R4) aufweist, mittels dessen eine Überhitzung (Ü) des Kältemittels eingestellt wird, indem ein Expansionsventils (48a) geregelt wird, welches stromauf des Chillers (46) angeordnet ist und welches eine Öffnung aufweist, die als eine Stellgröße des Überhitzungs-Reglers (R4) dient, wobei die Überhitzung (Ü) als eine Regelgröße des Überhitzungs-Reglers (R4) dient und eine Soll-Überhitzung (Ü-S) als eine Führungsgröße, welche in Abhängigkeit der Klimatisierungsanforderung bestimmt wird.
  9. Steuerungssystem (22) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Klima-Verdampfer (12) und der Chiller (46) miteinander vertrimmt werden und dass eine geringere Soll-Überhitzung (Ü-S) eingestellt wird als im Heizbetrieb.
  10. Steuerungssystem (22) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße des vierten Reglers (R4) durch einen zusätzlichen Abregelfaktor (AF) beeinflusst wird, zur Reduzierung der Menge an Wärme, die von der Wärmepumpe übertragen wird.
  11. Steuerungssystem (22) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reduzierung der Wärmeaufnahme dadurch erzielt wird, dass die Soll-Überhitzung (Ü-S) mit einem zusätzlichen Abregelzuschlag modifiziert wird.
  12. Steuerungssystem (22) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Reduzierung der Steuergröße durch den Abregelfaktor (AF) ein I-Anteil des Überhitzungs-Reglers (R4) angehalten wird.
  13. Steuerungssystem (22) nach einem der Ansprüche 8 bis 12 und nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines Grenzwertes für den Abregelfaktor (AF) das Expansionsventil (48a) vollständig geschlossen wird und automatisch der dritte Mischbetrieb eingestellt wird.
  14. Steuerungssystem (22) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abstellen des Fahrzeugs oder falls sowohl der Chiller (46) als auch der Klima-Verdampfer (12) aktiv sind, für das Expansionsventil (48a) vor dem Chiller (46) eine Mindestöffnung vorgegeben wird, welche die Stellgröße des Überhitzungs-Reglers (R4) begrenzt.
  15. Steuerungssystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses den Heizzweig (24) mittels eines Absperrventils (32) öffnet und schließt, wobei zum Öffnen des Heizzweigs (24) das Absperrventil (32) geöffnet wird, zum Schließen des Heizzweigs (24) das Absperrventil (32) geschlossen wird und der dritte Mischbetrieb dadurch eingestellt wird, dass das Absperrventil (32) periodisch geöffnet und geschlossen wird.
  16. Steuerungssystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine NT-Heizkonfiguration (NTH) dadurch einstellt, dass die Wärmepumpe deaktiviert wird und zum Heizen Abwärme einer Fahrzeugkomponente (42) verwendet wird, die an den Kühlzweig (33) angeschlossen ist.
  17. Steuerungssystem (22) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die NT-Heizkonfiguration (NTH) lediglich dann aktiviert wird, falls eine Heizzweig-Solltemperatur (T-HZ-S) geringer ist als eine Kühlmittel-Isttemperatur (T-KM-I) und nicht geringer ist als eine Heizzweig-Isttemperatur (T-HZ-I).
  18. Steuerungssystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Wärmespeicherkonfiguration (WS) dadurch einstellt, dass das Kühlmittel über einen NT-Kühlerbypass (60) am NT-Kühler (44) vorbeigeführt wird.
  19. Steuerungssystem (22) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeicherkonfiguration (WS) automatisch eingestellt wird, falls eine Kühlmittel-Isttemperatur (T-KM-I) größer ist als eine Außentemperatur (T-a) und falls die Kühlmittel-Isttemperatur (T-KM-I) geringer ist als eine maximale Kühlmitteltemperatur (T-KM-max).
  20. Steuerungssystem (22) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses die Wärmespeicherkonfiguration (WS) automatisch aktiviert, falls im Kühlzweig (33) mehr Wärme generiert wird als über den Chiller (46) in den Kältekreis (4) übertragen wird
  21. Steuerungssystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem NT-Kühler (44) ein Lüfter (45) zugeordnet ist, mit einer einstellbaren Lüfterdrehzahl (LD), und dass der Lüfter (45) angesteuert wird, indem die Lüfterdrehzahl (LD) in Abhängigkeit einer Kühlmittel-Isttemperatur (T-KM-I) und einer minimalen Kühlmitteltemperatur (T-KM-min) eingestellt wird.
  22. Steuerungssystem (22) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfterdrehzahl (LD) mittels einer Kennlinie (K6) bestimmt wird, welche derart ausgebildet ist, dass bei einer Annäherung einer Kühlmittel-Isttemperatur (T-KM-I) an eine minimale Kühlmitteltemperatur (T-KM-min), die Lüfterdrehzahl (LD) erhöht wird
  23. Steuerungssystem (22) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfterdrehzahl (LD) mittels einer Kennlinie (K7) bestimmt wird, welche derart ausgebildet ist, dass bei einer Wärmeabfuhr über den NT-Kühler (44) und bei steigender Kühlmittel-Isttemperatur (T-KM-I) eine höhere Lüfterdrehzahl (LD) eingestellt wird.
  24. Steuerungssystem (22) nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfterdrehzahl (LD) bestimmt wird, indem mittels der beiden Kennlinien (K6, K7) jeweils eine Lüfterdrehzahl (LD) bestimmt wird und die größere dieser beiden Lüfterdrehzahlen (LD) mittels einer Maximal-Auswahl (M) ausgewählt und eingestellt wird.
  25. Steuerungssystem (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vereisung des NT-Kühlers (44) dadurch vermieden, dass der Heizzweig (24) zyklisch geöffnet und Wärme aus dem Heizzweig (24) zum NT-Kühler (44) geführt wird.
DE102015218825.6A 2015-09-30 2015-09-30 Steuerungssystem zur Klimatisierung eines Fahrzeugs Pending DE102015218825A1 (de)

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DE102015218825.6A DE102015218825A1 (de) 2015-09-30 2015-09-30 Steuerungssystem zur Klimatisierung eines Fahrzeugs
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