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GEBIET DER TECHNIK
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Die vorliegende Offenbarung betrifft die Kompressionswärmepumpentechnik und einen Enteisungsmodus für ein Kompressionswärmepumpensystem.
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HINTERGRUND
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Elektrifizierte Fahrzeuge wie Batterieelektrofahrzeuge (battery electric vehicles, BEV), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (plug-in hybrid-electric vehicles, PHEV), Mildhybridelektrofahrzeuge (mild hybrid-electric vehicles, MHEV) oder Vollhybridelektrofahrzeuge (full hybrid-electric vehicles, FHEV) enthalten eine Energiespeichereinrichtung, wie etwa eine Hochspannungsbatterie (high voltage battery, HV-Batterie), die als Vortriebsquelle für das Fahrzeug fungieren soll. Die HV-Batterie kann Komponenten und Systeme enthalten, die bei der Verwaltung der Leistung und Betriebsvorgänge des Fahrzeugs helfen sollen. Fahrzeuginnenraum-Klimatisierungsautomatiken können mit Brennkraftmaschinen-Wärmemanagementsystemen arbeiten, um über Kältemittel und Kühlmittel, die ein Wärmepumpensystem durchströmen, eine effiziente Wärmeverteilung bereitzustellen. Ein Steuerungssystem kann auf der Basis von aus Sensoren, die die Fahrzeug- und Umgebungsbedingungen überwachen, empfangenen Eingangsgrößen den Betrieb verschiedener Komponenten der Klimatisierungsautomatiken und Wärmemanagementsysteme lenken.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Verfahren zum Enteisen eines Kompressionswärmepumpensystems für ein Fahrzeug umfasst, in Reaktion auf ein Detektieren eines vorbestimmten Vereisungszustands eines Wärmetauschers, durch ein Steuergerät einen Befehl dazu auszugeben, die Leistung eines Kompressors von einer ersten Drehzahl auf eine zweite Drehzahl zu regulieren, die ausreicht, um in einem den Wärmetauscher durchströmenden Kältemittel eine Wärmemenge zu erzeugen, um den Vereisungszustand zu reduzieren. Bei dem Vereisungszustand kann es sich um einen Zustand handeln, in dem der Wärmetauscher Eis angesetzt hat oder voraussichtlich Eis ansetzen wird. Die Detektion kann auf Umgebungsbedingungen und einem Betriebsmodus des Wärmetauschers basieren. Das Steuergerät kann einen Algorithmus für eine stoßfreie Umschaltung abarbeiten, um die Regulierung zwischen der ersten und zweiten Drehzahl so zu vermitteln, dass vorbestimmte Normen für Geräusche, Schwingungen und Rauigkeit eingehalten werden. Die Regulierung kann die Drehzahl des Kompressors auf eine vorgewählte konstante Drehzahl regulieren. Das Steuergerät kann, in Reaktion auf eine für eine vorbestimmte Zeitdauer nicht erfolgende Detektion des vorgegebenen Vereisungszustands einen Befehl ausgeben, die Leistung des Kompressors weiter zu regulieren, so dass sich eine Drehzahl des Kompressors verringert. Das Steuergerät kann, in Reaktion auf ein Vorliegen einer vorbestimmten Wärmemenge im Kältemittel und eine vorbestimmte Drehzahl des Kompressors ein Steuersignal ausgeben, um eine Klimatisierungsautomatik zu aktivieren, um Klimazustände eines Fahrzeuginnenraums auf einen vorgegebenen Zustand zu modifizieren. Das Steuergerät kann einen Algorithmus abarbeiten, um Ausgangsgrößen von Aktoren der Klimatisierungsautomatik zu steuern, um die Klimazustände auf den vorgegebenen Zustand zu modifizieren.
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Ein elektrifiziertes Fahrzeug umfasst einen Fahrzeuginnenraum, ein Kompressionswärmepumpensystem und ein Steuergerät. Das Kompressionswärmepumpensystem steht in thermischem Austausch mit dem Innenraum und umfasst einen außenliegenden Wärmetauscher und einen Kompressor. Das Steuergerät ist ausgelegt, in Reaktion auf eine Detektion eines dem außenliegenden Wärmetauscher zugeordneten vorbestimmten Vereisungszustands Befehle dazu auszugeben, eine Drehzahl des Kompressors zu regulieren, um eine Temperatur des durch den Kompressor strömenden Kältemittels zu beeinflussen, so dass das Kältemittel eine ausreichende Wärmemenge mit sich führt, um den vorbestimmten Vereisungszustand innerhalb einer vorgewählten Zeitdauer zu beseitigen. Die Drehzahl des Kompressors kann so reguliert werden, dass die Klimazustände des Fahrzeuginnenraums innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen. Bei dem vorbestimmten Vereisungszustand kann es sich um einen Zustand handeln, in dem der Wärmetauscher Eis angesetzt hat oder voraussichtlich Eis ansetzen wird. Die Drehzahl des Kompressors kann so reguliert werden, dass das Kältemittel eine ausreichende Temperatur erzielt, um das angesetzte Eis wenigstens teilweise zu schmelzen. Das Steuergerät kann ferner ausgelegt sein, einen Algorithmus für eine stoßfreie Umschaltung abzuarbeiten, um die Regulierung der Drehzahl so zu vermitteln, dass ein Auftreten eines Drehzahlstoßes verhindert wird. Das Steuergerät kann ferner ausgelegt sein, einen Algorithmus für eine stoßfreie Umschaltung abzuarbeiten, um das Regulieren der Drehzahl so zu vermitteln, dass vorbestimmte Normen für Geräusche, Schwingungen und Rauigkeit eingehalten werden.
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Ein Kompressionswärmepumpensystem für ein elektrifiziertes Fahrzeug umfasst einen Wärmetauscher, einen oder mehrere Sensoren, einen Kompressor, eine Verteilungsschaltung und ein Steuergerät. Der eine oder die mehreren Sensoren überwachen Zustände des Wärmetauschers und vorgewählte Umgebungsbedingungen. Die Verteilungsschaltung verteilt Kältemittel im System. Das Steuergerät ist ausgelegt, in Reaktion auf Eingangssignale aus den Sensoren, die einen Vereisungszustand des Wärmetauschers anzeigen, einen Enteisungsmodus einzuleiten, der ein Drehzahlbefehlsübergangskennfeld implementiert, um eine Drehzahl des Kompressors so zu regulieren, dass ein durch diesen strömendes Kältemittel eine Temperatur erzielt, die ausreicht, Eis zu schmelzen. Das Steuergerät kann ferner ausgelegt sein, im Enteisungsmodus einen Algorithmus für eine stoßfreie Umschaltung abzuarbeiten, um das Regulieren der Drehzahl so zu vermitteln, dass vorbestimmte Normen für Geräusche, Schwingungen und Rauigkeit eingehalten werden. Bei dem Vereisungszustand kann es sich um einen Zustand handeln, in dem der Wärmetauscher Eis angesetzt hat oder voraussichtlich Eis ansetzen wird. Die Drehzahl zu regulieren, umfasst, die Drehzahl zu erhöhen. Das Steuergerät kann ferner ausgelegt sein, die Drehzahl nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls zu reduzieren.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines elektrifizierten Fahrzeugs.
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2 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Systemstruktur für ein Kompressionswärmepumpensystem.
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3 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Kühlmodus des Kompressionswärmepumpensystems von 2.
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4 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Heizmodus des Kompressionswärmepumpensystems von 2.
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5 zeigt in einem Blockschaltbild ein Beispiel einer Steuerungssubsystemarchitektur für das Kompressionswärmepumpensystem von 2.
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6 zeigt in einem Flussdiagramm ein Beispiel eines Algorithmus für den Betrieb der Steuerungssubsystemarchitektur von 5.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Dabei versteht es sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind, und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Die hier offenbarten speziellen strukturellen und funktionellen Details sind somit nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann zu lehren, wie er Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in verschiedener Weise einsetzen kann. Für den Durchschnittsfachmann liegt auf der Hand, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf irgendeine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit anderen, in einer oder mehreren der anderen Figuren dargestellten Merkmalen kombiniert werden können, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen könnten jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung vereinbar sind, erwünscht sein.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Plug-in-Hybridelektrofahrzeugs (PHEV). Ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 12 kann eine oder mehrere Elektromaschinen 14 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 16 verbunden sind. Die Elektromaschinen 14 können fähig sein, als Motor oder Generator zu arbeiten. Des Weiteren ist das Hybridgetriebe 16 mechanisch mit einer Brennkraftmaschine 18 verbunden. Das Hybridgetriebe 16 ist auch mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Die Elektromaschinen 14 können eine Vortriebs- und Schiebebetriebsfähigkeit bereitstellen, wenn die Brennkraftmaschine 18 an- oder ausgeschaltet ist. Die Elektromaschinen 14 fungieren auch als Generatoren und können Vorteile hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs bereitstellen, indem sie Energie rückgewinnen, die normalerweise im Friktionsbremssystem als Wärme verlorengehen würde. Die Elektromaschinen 14 können auch reduzierte Schadstoffemissionen bereitstellen, da das Hybridelektrofahrzeug 12 unter bestimmten Bedingungen im Elektromodus oder Hybridmodus betrieben werden kann, um den Gesamtkraftstoffverbrauch des Fahrzeugs 12 zu reduzieren.
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Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriesatz 24 speichert und stellt Energie bereit, die von den Elektromaschinen 14 verwendet werden kann. Die Traktionsbatterie 24 stellt typischerweise eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe aus einem oder mehreren Batteriezellenarrays, manchmal als Batteriezellenstapel bezeichnet, in der Traktionsbatterie 24 bereit. Die Batteriezellenarrays können eine oder mehrere Batteriezellen enthalten. Die Traktionsbatterie 24 ist elektrisch durch einen oder mehrere Schütze (nicht gezeigt) mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 26 verbunden. Wenn das eine oder die mehreren Schütze geöffnet sind, trennen sie die Traktionsbatterie 24 von anderen Komponenten, und wenn sie geschlossen sind, verbinden sie die Traktionsbatterie 24 mit anderen Komponenten. Das Leistungselektronikmodul 26 ist auch elektrisch mit den Elektromaschinen 14 verbunden und stellt die Fähigkeit bereit, elektrische Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 24 und den Elektromaschinen 14 zu übertragen. Zum Beispiel kann eine typische Traktionsbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, wohingegen die Elektromaschinen 14 eine dreiphasige Wechselspannung benötigen können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung den Erfordernissen der Elektromaschinen 14 entsprechend in eine dreiphasige Wechselspannung umwandeln. In einem Rekuperationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 26 die dreiphasige Wechselspannung aus den als Generatoren fungierenden Elektromaschinen 14 in die von der Traktionsbatterie 24 benötigte Gleichspannung umwandeln. Die vorliegende Beschreibung ist gleichermaßen auf ein rein elektrisches Fahrzeug anwendbar. Für ein rein elektrisches Fahrzeug kann das Hybridgetriebe 16 ein mit einer Elektromaschine 14 verbundenes Getriebe sein, und die Brennkraftmaschine 18 kann entfallen.
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Außer Energie für den Vortrieb bereitzustellen, kann die Traktionsbatterie 24 auch Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichspannungswandlermodul 28 enthalten, das die Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe der Traktionsbatterie 24 in eine Niederspannungs-Gleichstrom-Versorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeugverbrauchern kompatibel ist. Andere Hochspannungsverbraucher, wie etwa Kompressoren und elektrische Heizungen, können direkt mit der Hochspannung verbunden werden, ohne dass ein Gleichspannungswandlermodul 28 verwendet wird. In einem typischen Fahrzeug sind die Niederspannungssysteme elektrisch mit einer Hilfsbatterie 30 (z. B. einer 12-V-Batterie) verbunden.
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Ein elektrisches Batteriesteuermodul (battery electrical control module, BECM) 33 kann mit der Traktionsbatterie 24 in Verbindung stehen. Das BECM 33 kann als Steuergerät für die Traktionsbatterie 24 fungieren und kann auch ein elektronisches Überwachungssystem enthalten, das die Temperatur und den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen verwaltet. Die Traktionsbatterie 24 kann einen Temperatursensor 31 wie einen Thermistor oder ein anderes Temperaturmessgerät aufweisen. Der Temperatursensor 31 kann mit dem BECM 33 in Verbindung stehen, um Temperaturdaten bezüglich der Traktionsbatterie 24 bereitzustellen. Der Temperatursensor 31 kann sich auch an den oder in der Nähe der Batteriezellen in der Traktionsbatterie 24 befinden. Es ist auch vorgesehen, dass zum Überwachen der Temperatur der Batteriezellen mehr als ein Temperatursensor 31 verwendet werden kann.
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Das Fahrzeug 12 kann zum Beispiel ein elektrifiziertes Fahrzeug wie ein PHEV, ein FHEV, ein MHEV oder ein BEV sein, in dem die Traktionsbatterie 24 von einer externen Leistungsquelle 36 wiederaufgeladen werden kann. Die externe Leistungsquelle 36 kann eine Verbindung zu einer elektrischen Steckdose sein. Die externe Leistungsquelle 36 kann elektrisch mit dem „Electric Vehicle Supply Equipment“ (EVSE) 38, verbunden sein. Das EVSE 38 kann Schaltungen und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Leistungsquelle 36 und dem Fahrzeug 12 zu regulieren und verwalten. Die externe Leistungsquelle 36 kann dem EVSE 38 elektrische Gleichspannungs- oder Wechselspannungsleistung bereitstellen. Das EVSE 38 kann einen Ladeverbinder 40 zum Einstecken in einen Ladeport 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Ladeport 34 kann ein beliebiger Porttyp sein, der ausgelegt ist, Leistung aus dem EVSE 38 zum Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeport 34 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem Leistungswandlungsmodul 32 im Fahrzeug verbunden sein. Das Leistungswandlungsmodul 32 kann die aus dem EVSE 38 zugeführte Leistung konditionieren, um der Traktionsbatterie 24 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungswandlungsmodul 32 kann eine Schnittstelle zum EVSE 38 bilden, um die Leistungszufuhr an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Verbinder 40 kann Pins aufweisen, die mit entsprechenden Ausnehmungen des Ladeports 34 zusammenpassen.
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Die verschiedenen erörterten Komponenten können ein oder mehrere zugeordnete Steuergeräte aufweisen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuergeräte können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter in Verbindung stehen.
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Elektrifizierte Fahrzeuge, wie zum Beispiel PHEV- und BEV-Fahrzeuge, können unter bestimmten Bedingungen eine alternative Wärmequelle benötigen, um eine von einer herkömmlichen Brennkraftmaschine abgegebene Abwärmemenge zu ersetzen oder zu vergrößern, um Fahrzeuginnenraumbeheizungsziele zu erreichen. Die Fahrzeug-Kompressionswärmepumpentechnik kann durch Steuern einer Energieverbrauchsmenge bei milden Umgebungsbedingungen akzeptable Fahrzeuginnenraumbeheizungsleistungen bereitstellen. 2 zeigt ein Beispiel eines Kompressionswärmepumpensystems, hier allgemein als Kompressionswärmepumpensystem 100 bezeichnet. Im ganzen Kompressionswärmepumpensystem können mehrere Temperatursensoren 101 und Drucksensoren 102 angeordnet sein, um bei der Überwachung von Zuständen desselben zu helfen. Das Kompressionswärmepumpensystem 100 kann einen Kompressor 104 umfassen, der für sowohl den Heiz- als auch den Kühlmodus eine Kältemittelkompression in Kombination mit verschiedenen Ventilkonfigurationen in Wärmekreisläufen bereitstellen kann. Ein Wärmetauscher, wie zum Beispiel ein Verdampfer 105, kann Kanäle für dessen Durchströmung mit Kältemittel und Innenraumluft umfassen. Warme Luft aus einem Innenraum des Fahrzeugs kann mithilfe eines Gebläses (nicht gezeigt) oder einer anderen geeigneten Komponente den Verdampfer 105 durchlaufen, so dass das Kältemittel auf dem Weg zum Kompressor 104 Wärme aus der warmen Luft absorbieren kann. Ein Wärmetauscher 106 kann einen Umkehrstrom des Kältemittels und eines Kühlmittels, die in einem Brennkraftmaschinen-Kühlmittelkreislauf 112 strömen, erleichtern.
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Zum Beispiel kann der Brennkraftmaschinen-Kühlmittelkreislauf 112 eine Brennkraftmaschine 120, einen Kühler 122, und einen Kühlmittel-Heizungswärmetauscher 124 umfassen. Eine Kühlmittelpumpe 130, ein Heizungswärmetauscher-Absperrventil 132 und eine Kühlmittel-Zusatzpumpe 134 können die Verteilung des Kühlmittels im Brennkraftmaschinen-Kühlmittelkreislauf 112 erleichtern. Sensoren, wie zum Beispiel Temperatursensoren 138, können Zustände des Brennkraftmaschinen-Kühlmittelkreislaufs 112 messen, um dabei zu helfen, die Verteilung des Kühlmittels zu erleichtern. Der Wärmetauscher 106 kann dahingehend wirken, die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel zu erleichtern.
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Ein außenliegender Wärmetauscher 108 arbeitet mit dem Kompressor 104 und dem Verdampfer 105 und kann als Leitung dienen, um dem Fahrzeuginnenraum entzogene Wärme abzugeben wenn sich das Kompressionswärmepumpensystem 100 im Kühlmodus befindet. Zum Beispiel, und wie in 3 gezeigt, kann Umgebungsluft mithilfe eines Gebläses 109 in den außenliegenden Wärmetauscher 108 eintreten. Eine oder mehrere Grillklappen 107 können selektiv geöffnet und geschlossen werden, um den Luftstrom in den außenliegenden Wärmetauscher 108 zu steuern. Aus dem Kompressor 104 strömendes Kältemittel durchläuft den außenliegenden Wärmetauscher 108 in einem Querströmungsmuster, bezogen auf die durch diesen strömende Umgebungsluft, und derart, dass Wärme aus dem Kältemittel übertragen wird (durch Q Pfeil B dargestellt). Im Kühlmodus ist ein erstes Rückschlagventil 143 (in 3 nicht gezeigt) geöffnet und ein erstes Bypassventil 144 ist geschlossen (in 3 nicht gezeigt), so dass das Kältemittel auf dem Weg zum Verdampfer 105 durch ein erstes Entspannungsventil 148 strömt. Luft aus dem Fahrzeuginnenraum tritt in den Verdampfer 105 ein und ein Verdampfertemperatursensor 146 kann die Temperaturverhältnisse des Verdampfers 105 überwachen, um beim Lenken des Betriebs des ersten Entspannungsventils 148 zu helfen. Der Verdampfer 105 erleichtert die Wärmeübertragung aus der Luft an das Kältemittel (durch Q Pfeil A dargestellt), so dass das Kältemittel auf dem Weg zum Kompressor 104 in einen gasförmigen Zustand umgewandelt wird und die nun kühlere Luft aus dem Verdampfer 105 in den Fahrzeuginnenraum abgegeben wird. Weiterhin können ein zweites Bypassventil 152 und ein zweites Entspannungsventil 154 dabei helfen, den Kältemittelstrom durch das Kompressionswärmepumpensystem 100 zu lenken. Zum Beispiel kann sich das zweite Bypassventil 152 selektiv öffnen und schließen, so dass Kältemittel zum Verdampfer 105 oder zum außenliegenden Wärmetauscher 108 strömen kann. Im Kühlmodus kann das erste Entspannungsventil 148 gedrosselt sein, während das zweite Entspannungsventil 154 weit geöffnet ist.
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4 zeigt ein Betriebsbeispiel für den Heizmodus des Kompressionswärmepumpensystems 100. Wärme aus der Umgebungsluft kann über den außenliegenden Wärmetauscher 108 (durch Q Pfeil C dargestellt) in das Kompressionswärmepumpensystem 100 aufgenommen werden. Zum Beispiel kann Umgebungsluft der Beeinflussung durch das Gebläse 109 entsprechend die eine oder mehreren Grill-Klappen 107 und den außenliegenden Wärmetauscher 108 durchlaufen. Den außenliegenden Wärmetauscher 108 durchströmendes Kältemittel kann auf dem Weg zum Wärmetauscher 106 den Kompressor 104 durchlaufen. Wärme aus dem Kältemittel kann über den Wärmetauscher 106 (durch Q Pfeil D dargestellt) an das Kühlmittel des Brennkraftmaschinen-Kühlmittelkreislaufs 112 übertragen werden. Das nun wärmere Kühlmittel kann den Kühlmittel-Heizungswärmetauscher 124 durchwandern und in den Fahrzeuginnenraum abgegeben werden (durch Q Pfeil E dargestellt). In manchen Heizmodi, wie zum Beispiel dem in 4 gezeigten Heizmodus, wirkt die Kühlmittel-Zusatzpumpe 134 dahingehend, das Kühlmittel zu bewegen und das Heizungswärmetauscher-Absperrventil (HCIV) 132 ist teilweise geschlossen, um einen Inselkreislauf zu definieren, der Kühlmittel aus der Brennkraftmaschine 120 und dem Kühler 122 vom Eintreten in den Wärmetauscher 106 ausschließen kann.
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Das Kompressionswärmepumpensystem 100 kann noch weitere Betriebsmodi aufweisen. Im Betrieb und je nach Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnissen, kann der außenliegende Wärmetauscher 108 Eis ansetzen. Das angesetzte Eis kann, falls diesem nicht richtig entgegengewirkt wird oder es nicht entfernt wird, den Wirkungsgrad des Kompressionswärmepumpensystems 100 beeinträchtigen oder möglicherweise zu Schäden an Komponenten desselben führen. Ein Enteisungsmodus des Kompressionswärmepumpensystems 100 kann bei der Entfernung dieses angesetzten Eises helfen, indem eine Betriebsdrehzahl des Kompressors 104 reguliert wird, um die Wärmeverhältnisse des das Kompressionswärmepumpensystem 100 durchströmenden Kältemittels zu verwalten. Zum Beispiel kann der Enteisungsmodus einen oder mehrere Befehle einleiten, um den Betrieb des Kompressors 104, der Ventile und eines oder mehrerer Aktoren zu lenken, um das Schmelzen des angesetzten Eises zu erleichtern. Der Enteisungsmodus kann das angesetzte Eis auf sichere Weise entfernen, um den Wirkungsgrad des Kompressionswärmepumpensystems 100 zu verbessern, und dabei gleichzeitig Drehzahländerungen des Kompressors 104 während der Modusumschaltungen zu minimieren, um auch die Geräusch-, Schwingungs- und Rauigkeits-(noise vibration and harshness, NVH)Leistung zu verwalten.
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5 zeigt ein Beispiel einer Steuerungssubsystemarchitektur für das Kompressionswärmepumpensystem 100, hier allgemein als Architektur 200 bezeichnet. Beispiele für Steuerungssubsysteme, die das Kompressionswärmepumpensystem 100 unterstützen können, umfassen ein Modusumschaltungssystem 204, einen Kompressordrehzahlbefehl für normalen Kühl- und Heizungsbetrieb 206, eine Kompressordrehzahlbefehl-Deaktivierung für Enteisen 208, einen Algorithmus für stoßfreie Umschaltung 210, ein Schaltersystem 212 und ein Klimakompensationssystem für Enteisungsmodus 214. Die Steuerungssubsysteme wirken miteinander zusammen, um den Enteisungsmodus zu implementieren. Zum Beispiel kann ein Steuergerät (nicht gezeigt) eine Drehzahl des Kompressors 104 regulieren, wie zum Beispiel die Drehzahl gegenüber der Betriebsdrehzahl anderer Modi erhöhen, wenn sich das Kompressionswärmepumpensystem 100 im Enteisungsmodus befindet. Das Steuergerät kann die Drehzahl des Kompressors 104 vorbehaltlich eines Kältemitteldruckschwellenwerts und eines oberen Drehzahlschwellenwerts des Kompressors 104 regulieren. Die erhöhte Drehzahl des Kompressors 104 kann dabei helfen, eine Wärmemenge in dem das Kompressionswärmepumpensystem 100 durchströmenden Kältemittel zu erzeugen, die höher ist als ein normaler Heizbetrieb, und damit das angesetzte Eis am außenliegenden Wärmetauscher 108 entfernen, wie hier noch weiter beschrieben wird. Auch der Betrieb anderer Komponenten des Kompressionswärmepumpensystems 100 kann reguliert werden, um dabei zu helfen, das angesetzte Eis zu entfernen. Zum Beispiel können die Entspannungsventile geöffnet werden, um zu verhindern, dass eine Abkühlungsneigung des Kältemittels erhöht wird. In einem weiteren Beispiel kann die Drehzahl des Kompressors 104 eine Funktion verschiedener Eingangsgrößen sein, wie zum Beispiel der Umgebungstemperatur und vorbestimmter Bedingungen, die in einer für das Steuergerät zugriffsfähigen Kalibriertabelle enthalten sind.
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Das Modusumschaltsystem 204 kann Signale ausgeben, um auf der Basis von vorgegebenen und messbaren Zuständen einen aktuellen Betriebsmodus für das Kompressionswärmepumpensystem 100 anzuzeigen. Zum Beispiel können die Zustände verschiedene Temperaturen, Klimawünsche, wie zum Beispiel eine Benutzereingabe in eine Klimasteuerungsschnittstelle, und angesetztes Eis umfassen. Beispiele für Betriebsmodi bezüglich der Ausgangssignale umfassen den Heizmodus, den Kühlmodus und den Enteisungsmodus. Falls sich das Kompressionswärmepumpensystem 100 im Heiz- oder Kühlmodus befindet, kann das Kompressordrehzahlbefehlssystem für normalen Kühl- und Heizbetrieb 206 die Betriebssteuerung der Drehzahlbefehlserzeugung für den Kompressor 104 übernehmen. Die Befehlserzeugung kann auf der Detektion einer oder mehrerer vorbestimmter Zustände, wie zum Beispiel vorbestimmter Vereisungszustände basieren, und eine geschlossene Kreislaufstruktur verwenden, so dass die Drehzahl des Kompressors 104 dahingehend wirkt, die Temperatur des Verdampfers 105 (im Kühlmodus) oder die Temperatur des Kühlmittel-Heizungswärmetauschers 124 (im Heizmodus) auf ein vorgegebenes Niveau zu bringen.
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Beispiele für die vorbestimmten Vereisungszustände können einen Zustand umfassen, in welchem sich am außenliegenden Wärmetauscher 108 Eis angesetzt hat, und einen Zustand in welchem eine Kombination von messbaren Variablen anzeigt, dass sich am außenliegenden Wärmetauscher 108 voraussichtlich Eis ansetzen wird. Bei einem anderen vorbestimmten Vereisungszustand kann es sich um einen Zustand handeln, in welchem ein Zeitintervall abgelaufen ist, bezogen auf ein Empfangen oder nicht Empfangen von Signalen, die angesetztes Eis oder eine Wahrscheinlichkeit, dass sich Eis ansetzen wird, anzeigen. Zum Beispiel kann das Modusumschaltsystem 204 einen Übergang aus dem Enteisungsmodus lenken, unabhängig von empfangenen Signalen der Enteisungsmodus arbeitet für eine vorgegebene Zeitdauer, die auf Leistungsattributen der Klimatisierungsautomatik basieren kann, die anzeigen, dass die Klimazustände des Fahrzeuginnenraums nicht innerhalb eines vorgegebenen Komfortbereichs für die Insassen liegen. Falls einer der vorbestimmten Vereisungszustände am außenliegenden Wärmetauscher 108 detektiert wird, kann das Modusumschaltsystem 204 ein Steuersignal an die Kompressordrehzahlbefehlsdeaktivierung für Enteisen 208 ausgeben, um das Kompressionswärmepumpensystem 100 in den Enteisungsmodus umzuschalten und die Steuerung der Drehzahlbefehlserzeugung für den Kompressor 104 zu übernehmen. Unter bestimmten Bedingungen kann das Kompressionswärmepumpensystem 100 nach der Detektion einer der vorbestimmten Vereisungszustände nicht sofort in den Enteisungsmodus umschalten. Zum Beispiel kann das Kompressionswärmepumpensystem 100 einen Übergang in den Enteisungsmodus verzögern, um andere Komponenten im Kompressionswärmepumpensystem 100 für den Enteisungsmodus vorzubereiten, oder um unerwünschte Übergangsverhalten der Komponenten zu vermeiden, die für den Fahrer oder die Insassen spürbar sind.
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Die Drehzahlbefehle für den Kompressor 104 sind im Allgemeinen vom denen des Kühlmodus und Heizmodus verschieden. Der Übergangsvorgang zwischen Drehzahlbefehlen für den Kompressor 104 kann manchmal zum Auftreten eines Drehzahlstoßes führen. Das Auftreten des Drehzahlstoßes kann als ein Kompressordrehzahlübergang beschrieben werden, der die Langlebigkeit und NVH-Zustände des Kompressors 104 gefährden kann. Eine Überwachung des Betriebs des Kompressors 104 während Übergängen zwischen Modi kann Informationen bereitstellen, um dabei zu helfen, das Auftreten von Drehzahlstößen zu verhindern oder zu minimieren. Das Steuergerät kann einen Algorithmus verwenden, um dabei zu helfen, die Betriebsvorgänge des Kompressionswärmepumpensystems 100 zu lenken.
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Zum Beispiel kann der Algorithmus für stoßfreie Umschaltung 210 ein Enteisungsvorsteuersignal und ein normales Vorsteuersignal umfassen. Die Vorsteuersignale können jeweils einen Anfangswert einer Befehlsdifferenz zu einem Zeitpunkt eines Übergangs zwischen Betriebsmodi umfassen. Die Vorsteuersignale können sich auch exponentiell und bezogen auf eine kalibrierbare Zeitkonstante auf null reduzieren. Die Vorsteuersignale können anfänglich beim Übergang in einen anderen Betriebsmodus aktuelle Drehzahlbefehle für den Kompressor 104 aufrechterhalten und sich dann abschwächen. Wenn das Kompressionswärmepumpensystem 100 in den Enteisungsmodus übergeht, können auch Integratorverstärkungen der normalen Betriebsmodi rückgesetzt werden. Die Integratorverstärkungen können dann exponentiell auf vorgegebene Kalibrierwerte gebracht werden, um dabei zu helfen, Drehzahlbefehle bereitzustellen, die einen weichen Drehzahlübergang des Kompressors 104 begünstigen. Zum Beispiel kann ein kalibrierbarer Zeitgeberschwellenwert als eine Höchstzeitdauer definiert werden, für die der Enteisungsmodus arbeiten kann, ohne dass das Kompressionswärmepumpensystem 100 geschädigt oder der Komfort der Insassen beeinträchtigt wird. Wenn der Zeitgeberschwellenwert erreicht ist, kann das Kompressionswärmepumpensystem 100 trotz Vorliegens eines der vorbestimmten Vereisungszustände am außenliegenden Wärmetauscher 108 den Enteisungsmodus verlassen.
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Das Schaltersystem 212 kann dahingehend wirken, einen Drehzahlbefehl für den Kompressor 104 auf der Basis von einem oder mehreren Zuständen, wie zum Beispiel dem Betriebsmodus des Kompressionswärmepumpensystems 100, zum Liefern an den Kompressor 104, und/oder anderen Eingangsgrößen, wie zum Beispiel vom Druck- und Temperatursensor gemessene Zuständen zu wählen. Da die Fahrzeuginnenraumtemperatur durch überschüssige Wärme im Brennkraftmaschinen-Kühlmittelkreislauf beeinflusst werden kann, wirkt das Klimaausgleichssystem für Enteisungsmodus 214 dahingehend, die Klimazustände des Fahrzeuginnenraums zu verwalten wenn sich das Kompressionswärmepumpensystem 100 im Enteisungsmodus befindet. Zum Beispiel kann das Klimaausgleichssystem für Enteisungsmodus 214 ausgelegt sein, den Betrieb von Aktoren, wie den Grillklappen 107, dem Drucklüfter 109, einem Brennkraftmaschinenlüfter 215 und Klimasteuerungsluftdüsen 216 zu regulieren, um dabei zu helfen, eine Temperatur des Fahrzeuginnenraums aufrechtzuerhalten. Betriebsbefehle für die Aktoren können auf zugriffsfähigen Verweistabellen basieren, die Eingangsgrößen wie Fahrzeuginnenraumtemperatur, Umgebungstemperatur, Fahrgeschwindigkeit und Brennkraftmaschinenkühlmitteltemperatur umfassen, um nur einige zu nennen, und die allgemein als Eingangsgrößen 213 bezeichnet werden.
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6 zeigt ein Beispiel eines Algorithmus für eine Enteisungssteuerung in einem Kompressionswärmepumpensystem. Der Algorithmus ist allgemein mit der Bezugszahl 300 bezeichnet und kann mit dem Kompressionswärmepumpensystem 100 verwendet werden. Im Betrieb 304 können ein oder mehrere Sensoren Zustände des und in der Nähe des Kompressionswärmepumpensystems messen. Der eine oder die mehreren Sensoren können im Betrieb 306 an ein Steuergerät ein Signal senden, das Informationen bezüglich der gemessenen Zustände umfasst. Zum Beispiel können die gemessenen Zustände Umgebungsbedingungen und Temperatur- und Druckverhältnisse der Komponenten des Kompressionswärmepumpensystems umfassen. Das Steuergerät kann auswerten, ob die gemessenen Zustände einen der vorbestimmten Vereisungszustände erfüllen. In Reaktion auf das Empfangen eines Signals, das ein Vorliegen eines der vorbestimmten Vereisungszustände anzeigt, kann das Steuergerät im Betrieb 308 einen Übergang aus einem ersten Betriebsmodus, wie zum Beispiel dem oben beschriebenen Kühlmodus und Heizungsmodus, in einen Enteisungsmodus des Kompressionswärmepumpensystems einleiten. Im Betrieb 310 kann das Steuergerät ein Steuersignal an eine Algorithmusarchitektur für stoßfreie Umschaltung ausgeben, das den Übergang in den Enteisungsmodus anzeigt.
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wie oben beschrieben, kann die Algorithmusarchitektur für stoßfreie Umschaltung dahingehend wirken, dabei zu helfen, einen weichen Drehzahlübergang eines Kompressors des Kompressionswärmepumpensystems zu erleichtern. Die Algorithmusarchitektur für stoßfreie Umschaltung kann ein Drehzahlbefehlsübergangskennlinienfeld für den Kompressor erzeugen, das im Betrieb 312 vorbestimmte NVH-Normen wiederspiegelt. Zum Beispiel kann das Drehzahlbefehlsübergangskennlinienfeld einen oder mehrere Befehle umfassen, die die Drehzahl des Kompressors in einer rückführungslosen Verfahrensweise aus einer aktuellen Betriebsdrehzahl auf eine Enteisungsdrehzahl reguliert. Bei der Enteisungsdrehzahl kann es sich um eine Kompressordrehzahl handeln, die eine Temperatur eines den Kompressor durchströmenden Kältemittels so beeinflusst, dass sich die Temperatur des Kältemittels erhöht, um angesetztes Eis am außenliegenden Wärmetauscher zu verhindern, zu verringern oder zu entfernen. Im Betrieb 314 kann das Steuergerät eine Drehzahl des Kompressors auf der Basis von dem Drehzahlbefehlsübergangskennlinienfeld auf die Enteisungsdrehzahl regulieren, und der vorbestimmte Vereisungszustand wird somit verhindert, verringert oder behoben.
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Obgleich vorstehend verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind, wird nicht bezweckt, dass diese Ausführungsformen alle von den Ansprüchen umfassten möglichen Formen beschreiben sollen. Die in der Beschreibung verwendeten Worte sind beschreibende, nicht einschränkende, Worte und es versteht sich, dass diverse Änderungen vorgenommen werden können ohne vom Wesen und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Für den Durchschnittsfachmann ist zu erkennen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen derart hätten beschrieben werden können, dass sie gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften Vorteile bieten oder bevorzugt sind, bei einem oder mehreren Merkmalen oder Eigenschaften Kompromisse geschlossen werden können, um gewünschte, von der speziellen Anwendung und Implementierung abhängige Gesamtsystemattribute zu erzielen. Diese Attribute können Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Beschaffenheit, Robustheit, Akzeptanz beim Kunden, Zuverlässigkeit, Genauigkeit, usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Von daher fallen Ausführungsformen, die bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
