DE102016208535A1

DE102016208535A1 - Fahrzeugwärmemanagementsystem und steuermechanismus für dasselbe

Info

Publication number: DE102016208535A1
Application number: DE102016208535.2A
Authority: DE
Inventors: Rupesh S. Kakade; Prashant Mer; Vish S. Iyer; Michael H. Carlson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2016-12-01
Also published as: CN106183714B; CN106183714A; US10005339B2; US20160347150A1

Abstract

Ein Wärmemanagementsystem umfasst eine Kühlmittelpumpe, einen Hochspannungselektroheizer (HEH), um das Kühlmittel zu erwärmen, einen Heizkern, ein Gebläse, das Luft zum Heizkern lenkt, eine Kabinenheizröhre (CHV), Sensoren und einen Regler. Die CHV hat befindet sich auf einer Position Motorumgehung und blockiert dadurch Kühlmittelfluss vom HEH in den Motor, und auf einer Position Motorverbindung, wo sie Kühlmittel vom HEH in den Motor leitet. In einer Methode messen die Sensoren die Motoraustrittskühlmitteltemperatur (ECT), Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) zum HEH, Eingangslufttemperatur zum Heizkern und Ausgangslufttemperatur vom Heizkern. Der Regler berechnet einen Sollkühlmitteltemperaturwert (TCT) als eine Funktion der Lufttemperaturen und Massendurchsätze und steuert die CHV über Positionssteuersignale so, dass die CHV zwischen der Position Motorverbindung und Motorumgehung wechselt, wenn ICT gleich dem berechneten TCT-Wert ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf ein Fahrzeugwärmemanagementsystem und eine Methode, dieses zu steuern.
HINTERGRUND
Fahrzeuge mit Elektroantrieb werden durch ein Motordrehmoment von einem oder mehreren elektrischen Fahrmotoren angetrieben. Die Fahrmotoren ziehen elektrische Energie aus einem wiederaufladbaren Stromspeichersystem im Fahrbetrieb von Elektrofahrzeugen, und können, wenn sie mit einem internen Verbrennungsmotor ausgestattet sind, das Stromspeichersystem selektiv erneuern, indem sie das Motordrehmoment und Nutzbremsung verwenden. Die mehrfachen Reihen an Batteriezellen in einem gewöhnlichen Stromspeichersystem generieren Wärme während des EV-Fahrbetriebs oder wenn sie elektrische Bordnetze mit Strom versorgen. Als Ergebnis werden Wärmemanagementsysteme verwendet, um die Temperatur zu regulieren, wobei ein typisches Wärmemanagementsystem verschiedene Kühlschleifen hat, durch die über eine Kühlmittelpumpe Kühlmittel in Umlauf gebracht wird.
Herkömmlicherweise wird eine Dreiwegkabinenheizröhre oder CHV (CHV, Cabin Heater Valve) als Teil jedes Wärmemanagementsystems verwendet, um den Kühlmittelfluss zu und von dem Kabinenheizkern zu regulieren. Zusätzlich wird durch eine Lüftungsanlage Luft quer über dem Heizkern verteilt, und zwar auf einem Niveau, das durch eine motorgetriebene Heizklappe reguliert wird. Hybrid- und Batterieelektrofahrzeuge verwenden auch einen Hochspannungselektroheizer (high-voltage electric heater, HEH), um die erforderliche Kabinenwärme für Passagierkomfort zu liefern, wenn die Motorkühlmitteltemperatur relativ kühl ist, zum Beispiel bei langen EV-Fahrbetrieben.
Ein CHV ist gewöhnlich auf eine Erstposition geschaltet, um den Kabinenheizkern flüssig mit einer Motorkühlschleife zu verbinden, was als Motorverbindungsmodus bezeichnet wird, und auf eine Zweitposition, um die Motorkühlschleife in einem Motorumgehungsmodus zu umgehen, wobei letzteres normalerweise dazu verwendet wird, den Aufwärmprozess eines Motors zu verwalten. Im Motorumgehungsmodus ist Motorabwärme nicht leicht zugänglich für Kabinenwärme und/oder es steht reichlich elektrischer Strom für den HEH-Betrieb zur Verfügung, um mit höherer Leistung zu operieren, sodass Kraftstoffverbrauch und Fahrzeugemissionen minimiert werden. Der Motorverbindungsmodus auf der anderen Seite ermöglicht die Nutzung der verfügbaren Motorabwärme und ermöglicht es dem Motor allein, oder Motor und HEH gemeinsam, jegliche erforderliche Kabinenwärme zu liefern.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine hier offengelegte Methode für die Steuerung einer Dreiwegkabinenheizröhre (CHV) in einem Fahrzeugwärmemanagementsystem. Diese Methode ist dazu gedacht, die Leistung von Hybridwärmemanagementsystemen des Typs wie oben allgemein beschrieben zu verbessern, d. h. in Fahrzeugen, die als Teil des Antriebsstrangs mit einem internen Verbrennungsmotor ausgestattet sind. Zusätzlich zum CHV umfasst das Wärmemanagementsystem eine Kühlmittelpumpe, einen Kabinenheizkern, einen Hochspannungselektroheizer (HEH) sowie Temperatursensoren, die sich an einem Kühlmittelausgang des Motors, einem Kühlmitteleingang zum HEH und Lufteingangs- und -ausgangsseiten des Heizkerns befinden. Die Methode wird über einen Regler in einer Weise ausgeführt, die sorgfältig die Energiebilanz zwischen Motorabwärme und durch den HEH bereitgestellter Wärme berücksichtigt, wenn automatisch zwischen der Position Motorverbindung und der Position Motorumgehung des CHV ausgewählt wird.
Die Methode soll auf bestehenden Methoden der CHV-Steuerung aufbauen und das Phänomen eines warmen oder kalten Luftstrahls vermeiden. Fachleute wissen, dass dieses Phänomen sich auf den flüchtigen Umlauf relativ warmer oder kalter Luft in die Passagierkabine bezieht. Das heißt, Luft, die wärmer oder kälter als die aktuelle Kabinentemperatur ist, wird kurz in die Passagierkabine abgegeben, und zwar aufgrund der relativ langsamen Antriebsgeschwindigkeit einer Heizklappe, die Luft über den Kabinenheizkern ausströmt. Ein warmer Luftstrahl kann beispielsweise dann auftreten, wenn die CHV sich aufgrund anhaltender Zirkulation warmen Kühlmittels auf die Position Motorverbindung begibt, während der Heizklappenmotor weiterhin die Heizklappenposition anpasst. Übermäßiges Öffnen der Heizklappe, auch für einen kurzen Zeitraum, kann auch zu Überhitzung der verbreiteten Luft führen, wodurch das Phänomen des warmen oder kalten Luftstrahls verschärft wird.
Ebenso kann ein relativ kalter Luftstrahl auftreten, wenn die CHV sich bei einem EV-Antriebsmodus auf die Position Motorumgehung begibt, während der HEH immer noch das Kühlmittel erwärmt und der Heizklappenmotor weiterhin die Heizklappenposition anpasst. Übermäßiges Öffnen der Heizklappe, auch für einen kurzen Zeitraum, kann zu diesem kalten Luftstrahl führen. Die vorliegende Methode und das begleitende System dienen daher dazu, dabei zu helfen, dieses spezielle Leistungsproblem zu lösen, und dabei auch möglicherweise die Energiebilanz des Antriebsstrangs im Allgemeinen zu verbessern.
Bei einer besonderen Ausführungsform beinhaltet ein Wärmemanagementsystem für ein Fahrzeug mit einem Motor eine Pumpe, die dafür einsatzbereit ist, Kühlmittel in Umlauf zu bringen, des Weiteren einen Hochspannungselektroheizer (HEH) in Fluidverbindung mit der Pumpe, einen Heizkern in Fluidverbindung mit einem Ausgang des HEH und ein Gebläse, das die Luft zum Heizkern leitet. Das System umfasst auch eine Kabinenheizröhre (CHV), die auf Positionssteuerungssignale reagiert, und hat eine Position Motorumgehung, die Kühlmittelfluss zum Motor verhindert, sowie eine Position Motorverbindung, die Kühlmittelfluss zum Motor leitet.
Zusätzlich messen erste, zweite, dritte und vierte Temperatursensoren je eine Ausgangskühlmitteltemperatur des Motors, eine Eingangskühlmitteltemperatur des HEH, eine Eingangstemperatur von Luft zum Heizkern und eine Ausgangstemperatur von Luft vom Heizkern. Ein Regler des Systems befindet sich in Kommunikation mit den Sensoren und ist darauf programmiert, ein anvisierte Kühlmitteltemperatur zu kalkulieren, und zwar als eine Funktion der Eingangslufttemperatur, Ausgangslufttemperatur, sowie Massendurchsätze von Luft und Kühlmittel, und darauf, die CHV so zu regulieren, dass die CHV dann zwischen der Position Motorumgehung und der Position Motorverbindung hin und her geschaltet wird, wenn die Eingangskühlmitteltemperatur (inlet coolant temperature, ICT) dem Wert der berechneten anvisierten Kühlmitteltemperatur (target coolant temperature, TCT) entspricht. Auf diese Weise gleicht der Regler den Bedarf für Kabinenwärme und Abwärmenutzung des Motors aus, und vermeidet dabei gleichzeitig das oben erwähnte Luftstrahlphänomen.
Eine Methode wird auch für das oben genannte System offengelegt. Die Methode umfasst das Empfangen der Ausgangskühlmitteltemperatur des Motors (engine outlet coolant temperature, ECT), der Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) zum HEH, der Eingangstemperatur von Luft in den Heizkern und der Ausgangstemperatur von Luft vom Heizkern von jeweils den ersten, zweiten, dritten und vierten Temperatursensoren. Die Methode umfasst auch die Kalkulation eines anvisierten Kühlmitteltemperaturwertes (TCT-Wert) als eine Funktion der empfangenen Eingangslufttemperatur, der Ausgangslufttemperatur, sowie der Massendurchsätze von Luft und Kühlmittel, und die Steuerung der CHV so, dass die CHV dann zwischen der Position Motorumgehung und der Position Motorverbindung hin und her geschaltet wird, wenn die Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) dem Wert der berechneten anvisierten Kühlmitteltemperatur (TCT) entspricht.
Es wird auch ein Fahrzeug offengelegt, das mit einem internen Verbrennungsmotor ausgestattet ist, mit einem Heizkörper in Fließverbindung mit dem Motor über eine Motorkühlschleife und dem oben aufgeführten Wärmemanagementsystem.
Die oben genannten Eigenschaften und Funktionen sowie anderen Eigenschaften und Funktionen der vorliegenden Darstellungen gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Ansprüche in Verbindung mit den zugehörigen Abbildungen (FIGS) hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Beispielfahrzeugs mit einem Hybridwärmemanagementsystem, das eine Kabinenheizröhre umfasst und einen Regler, der so programmiert ist, dass er die Position der CHV steuert, wie hierin beschrieben.
Die 2A und 2B zusammen zeigen ein Flussdiagramm, das eine Beispielmethode für die Steuerung der CHV beschreibt, wie gezeigt in 1.
Die 3A–D sind Zeitdiagramme, die jeweils die Methode bezüglich ihrer Wirksamkeit auf die Kühlmitteltemperatur, Motorgeschwindigkeit, Positionssteuerung der CHV und HEH-Leistung beschreiben.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Referenznummern auf die gleiche Struktur in den verschiedenen Abbildungen verweisen, wird ein Beispielfahrzeug 10 schematisch gezeigt in 1. Das Fahrzeug 10 kann verschiedenartig ausgeführt sein, etwa als ein Hybridelektrofahrzeug, ein Elektrofahrzeug für längere Strecken oder jegliches andere Fahrzeug, das mit einem internen Verbrennungsmotor 24 und einem Hybridwärmemanagementsystem 12 mit einer Kabinenheizröhre (CHV) 14 des oben allgemein beschriebenen Typs ausgestattet ist. Das Wärmemanagementsystem 12 umfasst einen Regler 50, der so programmiert ist, dass er die Schritte einer Methode 100 ausführt, wodurch die Position der CHV 14 zwischen einem Modus Motorverbindung und einem Modus Motorumgehung auf eine optimale Weise gesteuert wird.
Zusätzlich zu der CHV 14 umfasst das Wärmemanagementsystem 12 eine Kühlmittelpumpe 16, einen Hochspannungselektroheizer (HEH) 18, bedienbar für die Erwärmung dieses Kühlmittels und mit einem entsprechenden Kühlmitteleingang 17 und Kühlmittelausgang 19, sowie einem Kabinenheizkern 20 mit einem Kühlmitteleingang 21 und einem Kühlmittelausgang 23. Die Pumpe 16, der HEH 18, der Heizkern 20 und die CHV 14 befinden sich in Fluidverbindung miteinander über eine geeignete Fluidverbindung 15, z. B. Schläuche, Rohre und dergleichen. Kühlmittel wird durch die Kühlmittelpumpe 16 durch den HEH 18, zum Kabinenheizkern (HC) 20 und der CHV 14 in einer von zwei Kühlschleifen in Umlauf gebracht, d. h. eine Motorumgehungsschleife 30 und eine Motorverbindungsschleife 40. Die Position der CHV 14 wird durch den Regler 50 bestimmt und über Positionssteuersignale (Pfeil 11) gemäß den Schritten der Methode 100 angeordnet, ein Beispiel hierfür ist nachfolgend beschrieben unter Bezugnahme auf 2A–B. Wirkungen der Methode 100 auf den Betrieb des Fahrzeugs 10 werden beschrieben unter weiterer Bezugnahme auf 3A–D.
Die Motorverbindungsschleife 40 von 1 umfasst den Motor 24, einen Heizkörper 26 und ein Wasserschloss 28. Im Modus Motorverbindungsschleife empfängt der Motor 24 Kühlmittel über den Kühlmitteleingang 24I, nachdem das Kühlmittel von der CHV 14 in der Position Motorverbindung abgegeben wurde. Der Betrieb des Motors 24 erhitzt letztlich das Kühlmittel und gibt es ab an den Heizkörper 26 über einen Strömungsweg C und, nach Bedarf, an das Wasserschloss 28 über einen separaten Strömungsweg B. Der Heizkörper 26 kann ebenso überschüssiges Kühlmittel an das Wasserschloss 28 über einen Strömungsweg E abgeben. Abfluss aus dem Wasserschloss 28 geht zum Heizkörper 26 via Strömungsweg D. Kühlmittel, das den Heizkörper 26 über den Strömungsweg G verlässt, tritt wieder in den Motor 24 ein und wird letztlich über einen Motorkühlmittelausgang 24O abgegeben, wo das abgegebene Kühlmittel wieder zurück in die Kühlmittelpumpe 16 zurück gezogen wird.
Die CHV 14 kann als Dreiwegröhre mit zwei deutlichen Steuerungspositionen konfiguriert werden: eine Position Motorverbindung und eine Position Motorumgehung, von denen jede einem der beiden oben beschriebenen Modi entspricht. Im Modus Motorverbindung leitet die CHV 14 Kühlmittel, das aus dem Kabinenheizkern 20 strömt zum Motor 24, wie durch Richtungspfeil F_L angezeigt. Im Modus Motorumgehung ändert die CHV 14 ihre Position in Reaktion auf den Empfang der Positionssteuerungssignale (Pfeil 11) vom Regler 50, sodass Kühlmittelabfluss von der CHV 14 zur Kühlmittelpumpe 16 geht, in Richtung des Richtungspfeiles F_B. Kühlmittel, das in die Umgehungsschleife 30 strömt, wird danach durch den HEH 18 nach Bedarf erwärmt, ehe das erwärmte Kühlmittel in den Kabinenheizkern 20 strömt. Zusätzlich wird durch ein Gebläse 32 Luft (Pfeile A) zirkuliert und durchläuft einen Luftkanal 34 über den Heizkern 20 hinweg, wobei bekanntermaßen der Luftkanal 34 sich via Positionssteuerung einer Heizklappe 38 selektiv öffnet und schließt.
Der Regler 50 von 1 kann als digitaler Computer ausgeführt sein, der einen Prozessor (P) und einen Speicher (M) umfasst, d. h. greifbarer, nicht vorübergehender Speicher, wie etwa Festspeicher, Flash-Speicher und/oder andere magnetische oder optische Speichermedien. Der Regler 50 umfasst auch ausreichenden Arbeitsspeicher, elektrisch löschbaren und programmierbaren Festspeicher und dergleichen. Zusätzlich kann der Regler 50 auch eine Hochgeschwindigkeitsuhr umfassen, einen analog-zu-digitalen und digital-zu-analogen Regelkreis, Input-Output-Schaltungen und -geräte, sowie angemessene Signalkonditionierung und Impedanzwandler, um ein voll funktionsfähiges Kontrollgerät für Hardware und Software bereit zu stellen.
Zusätzlich nutzt der Regler 50 verschiedene Datenelemente in der Gesamtsteuerung der CHV 14. So werden zum Beispiel Temperaturdaten an verschiedenen Punkten innerhalb des Wärmemanagementsystems 12 gemessen, einschließlich eine Motorkühlmittelablasstemperatur (Pfeil ECT), gemessen durch einen ersten Temperatursensor S1, und eine HEH-Eingangskühlmitteltemperatur (Pfeil ICT) von einem zweiten Temperatursensor S2, sowie Lufteingangs- und -ausgangstemperaturen (Pfeile T_AI, T_AO) von entsprechenden dritten und vierten Temperatursensoren S3 und S4. Motorgeschwindigkeit (Pfeil N₂₄) kann über ein Motorsteuerungsmodul (nicht gezeigt) vermeldet, oder über einen optionalen Geschwindigkeitssensor S5 gemessen werden.
Der Regler 50 kann so programmiert werden, dass erkannt wird, ob ein Antriebssystem von Fahrzeug 10 aktiv ist, und falls dem so ist, automatisch der Motorumgehungsmodus für etwa eine Minute oder einen anderen angemessenen Zeitraum eingestellt wird, ehe weitere Bewegungen zugelassen werden. Die Funktionen des Reglers 50 können unter Verwendung einer unter Fachleuten bekannten Zustandsmaschine eingerichtet oder unterstützt werden. Außerhalb der Zustandsmaschine kann optional ein Timer eingesetzt werden, um übermäßige Positionsanfragen zu überwachen und letztlich zu begrenzen, falls die Anzahl der Positionsanfragen über einen Hauptzyklus hinweg einen kalibrierten Grenzwert überschreitet.
Es wird hier, als eine Basis des offengelegten Designs, anerkannt, dass konventionelle Methoden zur Steuerung von Kabinenheizröhren, wie die Beispiel-CHV 14 von 1, dazu tendieren, die Energiebilanz zwischen Motorabwärme und beliebiger, durch den HEH gelieferter Wärme zu ignorieren oder zu vermeiden. Dieses Versäumnis kann zu fehlgeleiteter Rohrpositionierung führen. Wie etwa im Beispieldesign von 1 und bei der Verwendung konventioneller Methoden, kann die CHV 14 in die Position Motorumgehung befohlen werden, während Abwärmeenergie übrig bleibt, die in der Motorverbindungsschleife 40 genutzt werden kann. In ähnlicher Weise kann der Motorverbindungsmodus ausgewählt werden, wenn der HEH 18 am oder nahe am Anschlag operiert, was den HEH 18 unerwünschterweise effektiv als Motorheizung fungieren lässt. Die Methode 100 versucht daher, auf diesen Positionierungsmethoden aufzubauen, Fälle von Flattern oder Schwingen zu reduzieren und damit verbundene Abnutzung der CHV 14, sowie das Phänomen des heißen bzw. kalten Luftstrahls, wie anderswo weiter oben bereits beschrieben, zu vermeiden.
Unter Bezugnahme auf 2A und 2B erlaubt die Ausführung der Methode 100 einen berechneten Zielwert für die Ausgangskühlmitteltemperatur des Kabinenheizkerns 20 in 1, im Folgenden bezeichnet als Kühlmittelzieltemperatur (Target Coolant Temperature, TCT), die unter Verwendung des tatsächlichen Bedarfs an Kabinen wärme festgestellt wird, wobei der berechnete TCT-Wert eine Funktion der erforderlichen Ausblastemperatur vom Luftkanal 34 ist, sowie der Massendurchsatz von Kühlmittel und Luft durch oder über den Heizkern 20. Der TCT-Wert wird verwendet zusammen mit der Motorausgangskühlmitteltemperatur (Pfeil ECT in 1) vom ersten Temperatursensor S1, der Eingangskühlmitteltemperatur zum HEH 18 (Pfeil ICT in 1) vom zweiten Temperatursensor S2, den berechneten oder gemessenen Massendurchsätzen von Kühlmittel und Luft, und der bekannten oder gemessenen Position der Heizklappe 38, um für die Energiebilanz zwischen Abwärme vom Motor 24 und verfügbarer Stromkraft vom HEH 18 zu lösen.
2A beschreibt den Steuerungsprozess einer Bewegung von der Position Motorumgehung zu einer Position Motorverbindung, wobei die umgekehrte Handlung beschrieben wird über die Schritte in 2B. 2A und 2B zeigen somit verschiedene Teile der gleichen Methode 100, d. h. Methodenteile 100A und 100B von 2A und 2B beschreiben eine einzige Methode 100. Beginnend mit Schritt S102, der Regler 50 von 1 befiehlt einen Wechsel zu Motorumgehungsmodus (BP) über die Übertragung von Steuersignalen zur Positionsänderung (Pfeil 11 von 1). Die Methode 100 fährt dann fort zu Schritt S104, worin der Regler 50 Werte oder Status für einen Satz vordefinierter Prioritätsbedingungen empfängt oder anderweitig erkennt, die einzeln oder im Ganzen darauf hinweisen, dass die CHV 14 einen Übergang zur Position Motorverbindung durchführen muss. Reine Beispielbedingungen können einen erkannten elektrischen Fehler im HEH 18 oder einer anderen elektrischen Komponente des Systems 20 umfassen, einen vorgegebenen Prioritätsklimasteuerungsmodus, wie etwa über die Auswahl eines Modus durch einen Passagier, bei der die Klimasteuerung gegenüber der Energiebilanz des Antriebsstranges priorisiert wird, eine Grenzwertanzahl an Zyklen der CHV 14 oder dergleichen. Die Methode 100 fährt zu Schritt S106 fort, wenn diese Werte bestimmt worden sind.
Bei Schritt S106 bestimmt der Regler 50 als nächstes, ob die Werte von Schritt S104 die vorgegebenen Prioritätsbedingungen erfüllen, wie etwa durch Vergleich der Werte mit kalibrierten Grenzwerten oder erwarteten Ergebnissen. Die Methode 100 geht weiter dazu über, bei Schritt S124 den Motorverbindungsmodus (L) auszuführen, wenn diese Bedingungen erfüllt sind. Andernfalls geht der Regler 50 zu Schritt S108 weiter, während er im Motorumgehungsmodus verbleibt.
Schritt S108 enthält die Kalkulation des Sollausgangskühlmitteltemperaturwert des Heizkerns 20, d. h. einen TCT-Wert, über den Regler 50. Die folgende Formel kann verwendet werden, um für den Zielwert (TCT) zu lösen:
wo T_IA und T_OA die gemessenen Eingangs- und Ausgangstemperaturen von jeweils den dritten und vierten Sensoren S3 und S4 sind, ist ε der bekannte Wirkungsgrad des Heizkerns 20, der Massendurchsatz von Luft (a) oder Kühlmittel (c) und m .c_p ist die Wärmekapazitätsrate. Der Massendurchsatz von Luft kann durch direkte Messung festgestellt werden, z. B. durch Verwendung eines Durchflussmessers, oder kann, noch gewöhnlicher, als berechnet werden eine Funktion der Heizklappenposition und einer gemessenen oder gemeldeten Geschwindigkeit des Gebläses 32 von 1, wie unter Fachleuten bekannt. Die Methode 100 geht weiter zu Schritt S110, sobald der Regler 50 fertig ist mit der Berechnung des TCT-Werts.
Schritt S110 umfasst den Vergleich des TCT-Wertes von Schritt S108 mit der HEH-Eingangskühlmitteltemperatur (Pfeil ICT von 1). Im Motorumgehungsmodus schließt die Position der CHV 14 effektiv eine Schleife auf dem Heizkern 20, indem der Motor 24 umgangen wird. Der Kühlmittelausgang des Heizkerns 20 ist somit verbunden mit dem Kühlmitteleingang des HEH 18, wie gezeigt in 1. Daher ist die HEH-Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) effektiv gleich der Kühlmittelausgangstemperatur des Heizkerns 20, wobei der Regler 50 so entwickelt ist, dass er die ICT derart steuert, dass sie im Motorumgehungsmodus dem berechneten TCT-Wert möglichst nahe kommt, wie gesehen werden kann in den 3A und 3C zusammen. Schritt S112 wird ausgeführt, falls der berechnete TCT-Wert die HEH-Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) in Schritt S110 nicht überschreitet. Schritt S114 wird alternativ ausgeführt, falls der berechnete TCT-Wert den ICT-Wert übersteigt, was darauf hinweist, dass das Kühlmittel über den HEH 18 gekühlt werden muss.
Bei Schritt S112 bestimmt der Regler 50, ob die Motorkühlmittelaustrittstemperatur (Pfeil ECT), wie gemessen durch den ersten Temperatursensor S1, geringer als der berechnete TCT-Wert ist. Wenn ja, geht der Regler 50 zurück zu Schritt S102 und verbleibt im Motorumgehungsmodus. Ansonsten geht der Regler 50 weiter zu Schritt S124 und wechselt in den Motorverbindungsmodus.
Schritt S114 umfasst die Bestimmung, ob die Motorausgangskühlmitteltemperatur (Pfeil ECT) den berechneten TCT-Wert übersteigt. Wenn ja, geht der Regler 50 zurück zu Schritt S124 und verbleibt im Motorverbindungsmodus. Ansonsten geht der Regler 50 weiter zu Schritt S116, da dieses Ergebnis darauf hinweist, dass die Motorabwärme nicht ausreichend ist für die Kabinenheizung.
Bei Schritt S116 bestimmt der Regler 50, ob die Motorausgangskühlmitteltemperatur (ECT) die Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) zum Heizkern 20 überschreitet. Wenn nicht, wiederholt die Methode 100 Schritt S102. Die Methode 100 geht jedoch zu Schritt S118, wenn ECT ICT übersteigt.
Bei Schritt 118 bestimmt der Regler 50, ob ein Prioritätsmodus für vorgegebene Heizung, Lüftung und Klimaanlage (HVAC) befohlen wurde, z. B. ein Komfortmodus, wie dargestellt in 2A als CM = CD. Dieser Modus, wie oben beschrieben, kann durch einen Passagier in einigen Fahrzeugdesigns verwendet werden, um anzufordern, dass Passagierkomfort oder Lüftergeschwindigkeit Priorität über Kraftstoffeffizienz bekommen. Die Methode 100 fährt fort mit Schritt S120, wenn dieser Modus nicht ausgewählt ist. Schritt S122 wird alternativ ausgeführt, wenn der Modus ausgewählt ist.
Schritt S120 enthält einen Vergleich von Motorausgangskühlmitteltemperatur (Pfeil ECT) mit der HEH-Eingangskühlmitteltemperatur (ICT), um festzustellen, ob der ECT-Wert den ICT-Wert um ein kalibriertes Maß (CAL) über eine kalibrierte Dauer (t_CAL) übersteigt. Wenn ja, fährt das Verfahren 100 mit Schritt S124 fort. Andernfalls wird Schritt S102 wiederholt und das System bleibt in Motorumgehungsmodus.
Schritt S122 umfasst den Vergleich von Motorgeschwindigkeit (Pfeil N₂₄ von 1) mit einer kalibrierten Grenzwertmotorgeschwindigkeit (N_CAL), z. B. über 500 RPM bis 700 RPM. Das Wärmemanagementsystem 20 verbleibt so lange im Motorumgehungsmodus, als die Motorgeschwindigkeit (Pfeil N₂₄) diesen Grenzwert nicht überschreitet. Schritt S124 wird ausgeführt, um in den Motorverbindungsmodus überzugehen, wenn an diesem Punkt der Methode 100 die Motordrehzahl den kalibrierten Grenzwert übersteigt.
2B zeigt die verschiedenen Schritte, die beim Übergang von Motorverbindungsmodus zu Motorumgehungsmodus eingesetzt werden. Der Motorverbindungsmodus verbindet den Motorkühlmittelausgang 24O von 1 mit dem HEH 18 und daher sollte der durch Temperatursensor S2 gemessene ICT-Wert im Wesentlichen gleich der Motoraustrittskühlmitteltemperatur (Pfeil ECT) sein. HEH-Betrieb ist vorübergehend, während der Motor 24 mit dem Heizkern 20 verbunden bleibt. Der Regler 50 gewährleistet jedoch, dass elektrische Energieabgabe vom HEH 18 nicht in die Motorverbindungsschleife fließt (Pfeil 40).
Wenn der Verbrennungsmotor 24 nicht aufgewärmt werden kann, d. h. wenn die Motordrehzahl (Pfeil N₂₄) für eine festgelegte Dauer, wie etwa zehn Sekunden, unter dem kalibrierten Grenzwert (N_CAL) bleibt, und wenn die berechnete TCT die Motorausgangskühlmitteltemperatur (Pfeil ECT) oder die gemessene Eingangskühlmitteltemperatur (Pfeil ICT) des HEH 18 überschreitet, dann befiehlt der Regler 50 die Position Motorumgehung, um zu vermeiden, dass Wärme vom HEH 18 in den Motor 24 eintritt, sowie auch um die Kabinenheizung zu beschleunigen. Auf der anderen Seite, wenn der berechnete TCT-Wert die Motorausgangskühlmitteltemperatur (Pfeil ECT) oder die Eingangskühlmitteltemperatur (Pfeil ICT) vom HEH 18 überschreitet und der Motor 24 aufgewärmt wird, kann der Betrieb des HEH 18 in einem Tandem mit Motorabwärme gesteuert werden, um die Kabinenheizung zu beschleunigen. Steuerung des HEH 18 kann abgebrochen werden, wenn der berechnete TCT die gemessene Kühlmitteleingangstemperatur (Pfeil ICT) vom HEH 18 nicht übersteigt, um Energie zu sparen.
Schritt S124 beinhaltet die Positionierung der CHV 14 in 1 zur Position Motorverbindung, abgekürzt (14) = LP in 2B für „Verbindungsposition“, z. B. mittels Senden von entsprechenden Schaltsteuersignalen (Pfeil 11) an die CHV 14. Sobald die Position der CHV 14 geändert wurde, fährt die Methode 100 fort mit Schritt S126, in dem der Regler 50 Werte empfängt für die verschiedenen Prioritätsbedingungen in einem Schritt analog zu Schritt S104 von 2A. Wenn bei Schritt S128 die Verbindungsbedingungen (L) es erlauben, im Motorverbindungsmodus zu verbleiben, wiederholt der Regler 50 Schritt S124. Andernfalls fährt die Methode 100 mit Schritt S130 fort.
Bei Schritt S130 berechnet der Regler 50 die Sollausgangskühlmitteltemperatur (TCT), wie oben in Schritt S108 dargelegt, und geht dann zu Schritt S132, worin der Regler 50 als nächstes bestimmt, ob der HEH 18 zu einem kalibrierten Prozentsatz (CAL %) der Kapazität für einen kalibrierten Zeitraum (t_CAL2) in Betrieb war. Dies ermöglicht eine vorsichtige Bewegung der CHV 14 vom Motorverbindungsmodus zum Motorumgehungsmodus, wenn schwerer Betrieb des HEH 18 festgestellt wird, z. B. eine prozentuale Strombelastung, die einen vorgegebenen Grenzwert, wie etwa 75 % bis 85 %, übersteigt, und für eine ausreichende Dauer beobachtet wird, beispielsweise zwei Minuten. In diesem Fall geht die Methode 100 weiter zu Schritt S102, worin die CHV 14 zum Motorumgehungsmodus wechselt. Andernfalls fährt die Methode 100 mit Schritt S134 fort.
Bei Schritt S134 wird der berechnete TCT-Wert verglichen mit der Motorkühlmitteltemperatur (Pfeil ECT). Schritt S124 wird ausgeführt, wenn der berechnete TCT die Motorausgangskühlmitteltemperatur (ECT) übersteigt. Alternativ wird Schritt S136 ausgeführt. Anders gesagt, wenn in Motorverbindungsmodus, falls TCT weniger ist, als die Motorausgangskühlmitteltemperatur, weiß Regler 50, dass die Motorabwärme ausreichend ist für die Kabinenheizung.
Schritt S136 beinhaltet den Vergleich der Motordrehzahl (Pfeil N₂₄) mit Geschwindigkeit und Zeitschwellen (N_CAL, t_CAL3) in einem Schritt analog zu S120 von 2A. Schritt S124 wird ausgeführt, d. h. das System verbleibt im Motorverbindungsmodus, falls der Motor 24 sich immer noch aufwärmt, wenn er z. B. unterhalb des Geschwindigkeitsgrenzwertes für die kalibrierte Dauer verbleibt. Schritt S138 wird alternativ ausgeführt. Wenn also TCT die Motorausgangskühlmitteltemperatur (ECT) in Schritt S134 übersteigt und die Drehzahl bei Schritt S136 relativ hoch ist, trifft der Regler 50 die Entscheidung, dass es am wirksamsten ist, im Motorverbindungsmodus zu verbleiben.
Bei Schritt S138 befiehlt der Regler 50 von 1 der CHV 14, in die Position Motorumgehung zu wechseln, abgekürzt „BP“ in 2B, für „Bypass“, wieder per Übertragung der Schaltsteuersignale (Pfeil 11) an die CHV 14. Die Methode 100 kehrt danach zu Schritt S102 zurück.
Die 3A–D sind Zeitdiagramme, die gemeinsam die Wirkung der Methode 100 auf die Leistung verschiedener Komponenten des Fahrzeugs 10 veranschaulichen, wie gezeigt in 1. 3A umfasst einen Satz Spuren 60, der Kühlmitteltemperatureffekte beschreibt, wobei die Kühlmitteltemperatur T_C auf der vertikalen Achse eingetragen, und die Zeit (t) in beiden 3A–D auf der horizontalen Achse eingetragen ist. Spur 62 ist die berechnete TCT, die der Kühlmittelsolltemperaturwert ist, wie oben berechnet. Spur 64 ist die Motorausgangskühlmitteltemperatur (ECT), während die Spuren 66 und 68 jeweils den ICT-Wert darstellen, der mit der Methode 100 geregelt wird, und den ICT-Wert, der mit herkömmlichen Mitteln festgestellt wird. In Zone 65 ist die Kluft zwischen den Spuren 66 und 68 bezeichnend für ungenügende Erwärmung des Kühlmittels durch den HEH 18, mit einer verlängerten Verzögerung, bis Spur 64 (ECT) gleich ist mit Spur 68, d. h. dem herkömmlichen ICT-Wert. Wie in den 3A und 3C im besonderen gesehen werden kann, ist die CHV 14 von der Position Motorumgehung auf die Position Motorverbindung umgeschaltet, wenn die Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) dem berechneten Kühlmittelsollwert (TCT) entspricht, um das Phänomen eines warmen Luftstrahls zu vermeiden.
3B zeigt die Motordrehzahl (N₂₄) auf der vertikalen Achse, wobei Spur 76 die Motordrehzahl in RPM darstellt, wie sie unter Verwendung der Methode 100 erfahren wird, und Spur 78 die Motordrehzahl unter Verwendung herkömmlicher Mittel darstellt. Zone 75 zeigt, dass nach einem Wechsel der CHV-Position zu Motorverbindung, nach anfänglichem Aufwärmen des HEH 18, der Motor 24 härter laufen kann, d. h. oberhalb einer Nenndrehzahl, um den Ladezustand (SOC) jeglicher Bordenergiespeichersysteme mit hoher Spannung unter Beibehaltung der Kühlmitteltemperatur zu erhöhen. Zone 77 anzeigt, dass der hohe SOC und die verbesserte Regelung längere Abschaltzeiten des Motors zulässt, da die erforderliche Wärme vom HEH 18 während Niederdrehzahlbetrieb bezogen wird. Zone 79 veranschaulicht einen möglichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Verfahren, bei denen sich der Motor 24 bei Bergfahrten im Leerlauf befindet. Mit der Methode 100 und wenn SOC sich auf einem ausgewogenen Niveau befindet, kann der Motor 24 eingeschaltet werden, wenn das Fahrzeug 10 beschleunigt, und ausgeschaltet, wenn das Fahrzeug 10 ausrollt, wobei diese Entscheidung als eine Funktion der Motorkühlmitteltemperatur (ECT) getroffen wird. In diesem Fall kann der Betrieb des HEH 18 so gesteuert werden, dass jeglicher Bedarf an Kabinenheizung erfüllt wird und keine elektrische Energie vom HEH 18 in den Motorblock fließt.
3C zeigt die Unterschiede in der Positionssteuerung zwischen konventionellen CHV-Steuerungsmethoden (Spur 88) und der Methode 100 (Spur 86). Spur 88 belässt die CHV 14 im Motorverbindungsmodus, während der HEH 18 mit begrenzter Leistung läuft. Die vorliegende Methode 100 erkennt jedoch, dass die Position Motorverbindung mit laufendem HEH 18 dazu führen kann, dass der HEH 18 den Motorblock erwärmt, anstatt eine Kabinenheizung durchzuführen. Die Methode 100 ändert diesen Ansatz, indem sie den Motorverbindungsmodus verwendet, wenn der Motor 24 läuft, und den HEH 18 in Verbindung mit Motorumgehung, wenn der Ladezustand (SOC) ausreichend hoch ist, was es dem Motor 24 erlaubt, für längere Zeit ausgeschaltet zu bleiben.
3D beschreibt die Stromleistung des HEH 18. Spur 96 stellt verfügbare Leistung vom HEH 18 unter der Methode 100 dar, die herkömmlichen Methoden (Spur 98) gegenübergestellt wird. Zone 95 zeigt die Situation, wenn bei ausgeschaltetem Motor 24 gefahren wird, und wenn der eingeschaltete HEH 18 die Nutzung eines Teils der Hochspannung zulässt, die während der anfänglichen Aufwärmphase des Motors 24 angesammelt wurde.
Die oben beschriebene Methode 100 gewährleistet somit, dass der Bedarf für Fahrzeugkabinenheizung bei bestimmten Typen von Hybridfahrzeugen rasch erneuert wird, und dass die Position der CHV 14 von einer Position Motorumgehung zu einer Position Motorverbindung in einer optimalen Weise gewechselt wird, wann immer die Motorausgangskühlmitteltemperatur (Pfeil ECT) innerhalb eines akzeptablen Bereichs bemessener ICT fällt, z. B. innerhalb von etwa ± 5 %. Dies vermeidet im Wesentlichen große Änderungen der Kühlmitteltemperatur im Heizkern 18 und folglich auch unerwünschte warme/kalte Luftstrahlen aus dem Luftkanal 34 von 1. Somit sind Motorabwärme und durch den HEH gelieferte Wärme sorgfältig abgewogen, wenn automatisch zwischen der Position Motorverbindung und der Position Motorumgehung der CHV 14 ausgewählt wird.
Während die besten Modi für die Durchführung des vorliegend offengelegten Systems und der Methode im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute, für die diese Offenlegung bestimmt ist, die verschiedenen alternativen Designs und Ausführungsformen erkennen, die im Rahmen der angefügten Ansprüche bestehen.

Claims

Wärmemanagementsystem für ein Fahrzeug mit einem Motor, wobei das Wärmemanagementsystem Folgendes umfasst: eine Pumpe, bedienbar zur Zirkulation von Kühlmittel; einen Hochspannungselektroheizer (HEH) in Fluidverbindung mit der Pumpe, bedienbar für die Erwärmung des Kühlmittel, und mit einem Kühlmittelausgang; einen Heizkern mit einem Kühlmitteleingang in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelausgang des HEH; ein Gebläse, das Luft zum Heizkern leitet; eine Dreiwegkabinenheizröhre (CHV), die auf Positionssteuersignale reagiert und über eine Position Motorumgehung verfügt, die den Kühlmittelfluss vom HEH zum Motor blockiert, sowie eine Position Motorverbindung, die den Kühlmittelfluss vom HEH zum Motor lenkt; erste, zweite, dritte und vierte Temperatursensoren, die jeweils eine Motorausgangskühlmitteltemperatur (ECT) messen, eine Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) zum HEH, eine Lufteingangstemperatur in den Heizkern und eine Luftausgangstemperatur vom Heizkern; und einen Regler in Kommunikation mit den Temperatursensoren und so programmiert, dass er den Sollkühlmitteltemperaturwert (TCT) als eine Funktion der Eingangslufttemperatur, der Ausgangslufttemperatur und Massendurchsätze von Luft und Kühlmittel berechnet, und die CHV über die Positionssteuersignale so steuert, dass die CHV wechselt zwischen der Position Motorverbindung und der Position Motorumgehung, wenn die Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) gleich ist dem berechneten Sollausgangskühlmitteltemperaturwert (TCT), wodurch Kabinenheizbedarf und Nutzung der Abwärme des Motors ausgeglichen werden.
System nach Anspruch 1, worin die Funktion ist:
und worin T_IA und T_OA jeweils die Ausgangs- und Eingangslufttemperaturen sind, İ die Effizienz des Heizkerns ist und (m .c_p)a und (m .c_p)c die Wärmekapazitätsraten von je Luft und Kühlmittel sind.
System nach Anspruch 1, worin der Regler so programmiert ist, dass die Position Motorumgehung beibehalten wird, wenn der berechnete Sollkühlmitteltemperaturwert (TCT) und die Motorausgangskühlmitteltemperatur (ECT) die Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) zum HEH nicht übersteigt.
System nach Anspruch 1, worin der Regler so programmiert ist, dass er die CHV in die Position Motorverbindung befiehlt, wenn der berechnete Sollkühlmitteltemperaturwert (TCT) die Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) übersteigt, und die Motorausgangskühlmitteltemperatur (ECT) den berechneten Sollkühlmitteltemperaturwert (TCT) übersteigt.
System nach Anspruch 1, worin der Regler so programmiert ist, dass er die CHV in Reaktion auf einen ausgewählten Modus, der die Kabinenheizung des Fahrzeugs priorisiert in die Position Motorverbindung befiehlt, wenn der berechnete Sollkühlmitteltemperaturwert (TCT) die Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) übersteigt, die Motorausgangskühlmitteltemperatur (ECT) die Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) übersteigt und den berechneten Sollkühlmitteltemperaturwert (TCT) nicht übersteigt, und eine Motordrehzahl die berechnete Drehzahl übersteigt.
System nach Anspruch 1, worin der Regler so programmiert ist, dass er die CHV von der Position Motorverbindung in die Position Motorumgehung befiehlt, falls der HEH für eine kalibrierte Dauer oberhalb einer kalibrierten Schwellenenergie läuft.
System nach Anspruch 1, worin der Regler so programmiert ist, dass er die CHV von der Position Motorverbindung in die Position Motorumgehung befiehlt, falls der HEH unterhalb einer kalibrierten Schwellenenergie läuft, der berechnete Sollkühlmitteltemperaturwert (TCT) die Motorausgangskühlmitteltemperatur (ECT) übersteigt und eine Motordrehzahl sich unterhalb einer kalibrierten Drehzahl befindet.
Fahrzeug, das Folgendes umfasst: einen Verbrennungsmotor; einen Heizkörper in Fluidverbindung mit dem Motor über eine Motorkühlschleife; und ein Wärmemanagementsystem, das Folgendes enthält: eine Pumpe, bedienbar zur Zirkulation von Kühlmittel; einen Hochspannungselektroheizer (HEH) mit einem Kühlmitteleingang in Fluidverbindung mit der Pumpe, bedienbar zur Erwärmung des Kühlmittels und mit einem Kühlmittelausgang; einen Heizkern mit einem Kühlmitteleingang in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelausgang des HEH; ein Gebläse, das Luft zum Heizkern leitet; eine Dreiwegkabinenheizröhre (CHV), die auf Positionssteuersignale reagiert und sich in einer Position Motorumgehung befindet, die einen Kühlmittelfluss vom HEH in die Motorkühlschleife blockiert, und die sich in einer Position Motorverbindung befindet, die den Kühlmittelfluss vom HEH in die Motorkühlschleife lenkt; erste, zweite, dritte und vierte Temperatursensoren, die jeweils eine Motorausgangskühlmitteltemperatur (ECT) messen, eine Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) zum HEH, eine Lufteingangstemperatur in den Heizkern und eine Luftausgangstemperatur vom Heizkern; und einen Regler in Kommunikation mit den Temperatursensoren und so programmiert, dass er einen Sollkühlmitteltemperaturwert (TCT) berechnet als eine Funktion der Eingangslufttemperatur, der Ausgangslufttemperatur und von Massendurchsätzen von Luft und Kühlmittel, weiter so, dass er über die Positionssteuersignale die CHV so steuert, dass die CHV in die Position Motorverbindung wechselt, wenn die Eingangskühlmitteltemperatur (ICT) gleich ist dem berechneten Sollkühlmitteltemperaturwert (TCT), wodurch der Kabinenheizbedarf und die Abwärmenutzung des Motors ausgeglichen werden.
Fahrzeug nach Anspruch 8, worin die Funktion lautet:
und worin T_IA und T_OA jeweils die Ausgangs- und Eingangslufttemperaturen sind, İ die Effizienz des Heizkerns ist und (m .c_p)a und (m .c_p)c die Wärmekapazitätsraten von je Luft und Kühlmittel sind.
Fahrzeug nach Anspruch 8, worin der Regler so programmiert ist, dass er die CHV von der Position Motorverbindung auf die Position Motorumgehung befiehlt, wenn der HEH über eine kalibrierte Dauer oberhalb des kalibrierten Energiegrenzwertes läuft, oder wenn der HEH unterhalb eines kalibrierten Energiegrenzwertes läuft, wenn der Sollkühlmitteltemperaturwert (TCT) die Motorausgangskühlmitteltemperatur (ECT) übersteigt und wenn eine Motordrehzahl sich unterhalb einer kalibrierten Drehzahl befindet.