DE102017211134A1

DE102017211134A1 - Verfahren zur Erhöhung der Systemdynamik in einem Sekundärkreislaufsystem

Info

Publication number: DE102017211134A1
Application number: DE102017211134.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Christoph Menken; Thomas Weustenfeld
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2037-07-01
Also published as: DE102017211134B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System mit einem Primärkreislauf und einem damit thermisch gekoppelten Sekundärkreislauf zur Regelung der Temperatur im Innenraum eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, sowie ein Verfahren zur Steuerung des Systems.

Description

Die Erfindung betrifft ein System mit einem Primärkreislauf und einem damit thermisch gekoppelten Sekundärkreislauf zur Regelung der Temperatur im Innenraum eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, sowie ein Verfahren zur Steuerung des Systems.
Bereits bekannte Wärmepumpen- und Kältekreiskonzepte für das Thermomanagement von elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen umfassen kältemittelkreisseitig im Wesentlichen einen Kompressor (Verdichter), Ventile und verschiedene direkte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager oder indirekte Kältemittel-Wasser-Wärmeübertrager auf der Hoch- und Niederdruckseite, sowie einen Kältemittelsammler.
Bei einem sogenannten Sekundärkreislaufsystem erfolgt die Anbindung der Verbraucher mit Hilfe von Sekundärfluid-Kreisläufen (in der Regel mit einem Wasser-Glysantin-Gemisch). Für den Wechsel der Betriebszustände sind diverse Umschalt- und Absperrventile im Thermomanagement verbaut. Die Aufheizung bzw. Abkühlung des Innenraums erfolgt indirekt über einen Sekundärkreislauf mit einer Pumpe.
Anders als bei Systemen mit einem direkten elektrischen Zuheizer oder einem mit Kältemittel durchströmten Verdampfer im Klimagerät reagiert ein solches System aufgrund des zusätzlichen Wärmeübergangs und zusätzlichen Wärmeübertragungsmediums träge auf plötzliche Änderungen des Systemzustandes (bspw. eine plötzliche Änderung der Soll-Innenraumtemperatur T_des durch den Fahrzeuginsassen).
In der Regel wird bei einer Forderung nach mehr Heiz- oder Kühlleistung Q die Verdichterdrehzahl im Primärkreislauf angehoben. Bis die Wärme oder „Kälte“ beim Fahrzeuginsassen ankommt, vergeht aber eine entsprechende „Totzeit“, was als Komforteinschränkung wahrgenommen werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Steuerung eines Sekundärkreislausystems für die Temperaturregelung im Innenraum eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, zur Verfügung zu stellen, das eine schnelle Anpassung der Innenraumtemperatur an eine geänderte Soll-Innenraumtemperatur bewirkt, also eine Verkürzung der „Totzeit“.
Für Kühlmittelkreisläufe in Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen existieren bereits verschiedene Vorschläge zur Erhöhung der Systemdynamik.
So beschreibt DE 10 329 563 B4 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Kühl-und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine mit einem autarken Thermostatventil, welches zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine und den Fahrzeugkühler regelt, und einem von der elektronischen Motorsteuerung beeinflussbaren Bypasszweig mit Zusatzventil, welches den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert.
Aus DE 10 143 093 A1 geht ein Verfahren zum Betrieb einer Kühl- und Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge hervor, bei dem Kühlmittel zumindest bei Heizbedarf für die Kabine mittels einer Pumpe durch einen Heizungswärmetauscher gefördert wird, in welchem es Heizleistung an die in die Kabine geförderte Luft abgibt und bei dem die dem Kühlmittel zugeführte Wärmemenge starken und relativ schnellen Änderungen unterworfen ist. In Phasen, in denen ein Überangebot an Wärme für Kabinenheizzwecke vorliegt, erfolgt eine Zwischenspeicherung dadurch, dass die Kühlmitteltemperatur im Wirkbereich des Kabinenwärmetauschers erhöht wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, in dem eine Änderung des Innenraumtemperaturwunsches nicht nur zu einer Erhöhung der Verdichterdrehzahl im Primärkreislauf führt, sondern zusätzlich ein weiterer im System vorhandener Freiheitsgrad für die Regelung benutzt wird, nämlich der Volumenstrom des Sekundärkreislauffluides durch den entsprechenden Innenraumwärm eübertrager.
Durch eine Anhebung der Pumpendrehzahl wird ein größerer Volumenstrom durch den Innenraumwärmeübertrager geführt und damit dem in den Innenraum einströmenden Luftmassenstrom mehr Heiz- oder Kühlleistung zur Verfügung gestellt. Es entsteht somit ein zusätzlicher Heiz- oder Kühleffekt.
Gegenstand der Erfindung ist ein System zur Regelung der Temperatur im Innenraum eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. In einer Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV). In einer anderen Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug ein Brennstoffzellenfahrzeug.
Das erfindungsgemäße System umfasst einen Primärkreislauf mit einem Verdichter für ein Primärkreislauffluid und einen damit thermisch gekoppelten Sekundärkreislauf mit einem Innenraumwärmeübertrager und einer Pumpe zur Förderung eines Sekundärkreislauffluids. Weiterhin umfasst das System Mittel zur Steuerung der Drehzahl des Verdichters und der Drehzahl der Pumpe. Die Steuerung ist dafür eingerichtet, bei einer Änderung einer Innenraum-Wunschtemperatur T_des sowohl die Drehzahl n des Verdichters als auch die Drehzahl der Pumpe zu erhöhen.
In einer Ausführungsform ist das Primärkreislauffluid ein übliches Kältemittel. Beispiele geeigneter Kältemittel umfassen Propan, R134a, R1234yf, R744 und Luft. In einer weiteren Ausführungsform ist das Sekundärkreislauffluid ein Wasser und Monoethylenglykol enthaltendes Gemisch (Wasser-Glysantin^®-Gemisch).
Gegenstand der Erfindung ist ein auch ein Verfahren zur Steuerung des erfindungsgemäßen Systems. Bei einer Änderung der Innenraum-Wunschtemperatur T_des durch den Fahrzeuginsassen werden sowohl die Drehzahl des Verdichters im Primärkreislauf als auch die Drehzahl der Pumpe im Sekundärkreislauf erhöht. Durch die Erhöhung der Verdichterdrehzahl n und des Volumenstroms V im Sekundärkreislauf wird dem Innenraumwärmeübertrager schnell eine erhöhte Heiz- bzw. Kühlleistung zur Verfügung gestellt. Dies beschleunigt die Anpassung der Temperatur im Innenraum des Fahrzeugs an den gewünschten Wert T_des und erhöht damit den Komfort. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit den Vorteil einer Erhöhung des Innenraumkomforts durch kurzfristigen Heiz- oder Kühleffekt.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Sekundärkreislaufsystems zur Temperaturregelung eines Fahrzeuginnenraums;
2 den zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter in einem Verfahren des Standes der Technik bei einer plötzlichen Änderung der Solltemperatur T_des ;
3 den zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter in dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer plötzlichen Änderung der Solltemperatur T_des .

1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Sekundärkreislaufsystems zur Temperaturregelung eines Fahrzeuginnenraums. Der Sekundärkreislauf umfasst einen Innenraumwärmeübertrager 11, um die Luft auf die Soll-Innenraumtemperatur T_des aufzuheizen oder abzukühlen. Mit Hilfe der Pumpe 12 wird ein Sekundärkreislauffluid gefördert und der Volumenstrom V im Sekundärkreislauf eingestellt.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter in einem Verfahren des Standes der Technik bei einer plötzlichen Änderung der Solltemperatur T_des . Bei einer plötzlichen Erhöhung der Innenraumwunschtemperatur T_des durch den Fahrzeuginsassen, entsprechend einer Forderung nach mehr Heizleistung Q wird die Verdichterdrehzahl n in einem mit dem Sekundärkreislauf thermisch gekoppelten Primärkreislauf entsprechend erhöht. Aufgrund des zusätzlichen Wärmeübergangs und zusätzlichen Wärmeübertragungsmediums reagiert ein solches System träge. Da der Volumenstrom V im Sekundärkreislauf konstant bleibt, wird die höhere Heizleistung Q erst mit einer Verzögerung dem Innenraum zur Verfügung gestellt. Bis die Wärme beim Fahrzeuginsassen ankommt, vergeht eine entsprechende „Totzeit“, was als Komforteinschränkung wahrgenommen werden kann.
3 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter in dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer plötzlichen Änderung der Solltemperatur T_des . Bei einer plötzlichen Erhöhung der Innenraum-Wunschtemperatur T_des durch den Fahrzeuginsassen wird die Verdichterdrehzahl n in einem mit dem Sekundärkreislauf 10 thermisch gekoppelten Primärkreislauf entsprechend erhöht. Gleichzeitig wird auch die Drehzahl der Pumpe 12 im Sekundärkreislauf und damit der Volumenstrom V des Sekundärkreislauffluides durch den Innenraumwärmeübertrager 11 erhöht. Dadurch wird dem in den Fahrzeuginnenraum einströmenden Luftmassenstrom mehr Heizleistung zur Verfügung gestellt. Somit kann dem Innenraum kurzfristig eine erhöhte Heizleistung zur Verfügung gestellt und der Komfort erhöht werden.
Bezugszeichenliste

10: Sekundärkreislauf
11: Innenraumwärmeübertrager
12: Pumpe
T_des: Solltemperatur des Innenraums („Innenraum-Wunschtemperatur“)
V: Volumenstrom
n: Verdichterdrehzahl
Q: Wärmestrom (Heiz bzw. Kühlleistung)
t: Zeit
Δt: „Totzeit“

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10329563 B4 [0008]
DE 10143093 A1 [0009]

Claims

System zur Regelung der Temperatur im Innenraum eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Primärkreislauf mit einem Verdichter für ein Primärkreislauffluid, und einen mit dem Primärkreislauf thermisch gekoppelten Sekundärkreislauf (10) mit einem Innenraumwärmeübertrager (11) und einer Pumpe (12) zur Förderung eines Sekundärkreislauffluids; sowie Mittel zur Steuerung der Drehzahl des Verdichters und der Drehzahl der Pumpe 12, wobei die Steuerung dafür eingerichtet ist, bei einer Änderung einer Solltemperatur T_des für den Innenraum des Kraftfahrzeugs sowohl die Drehzahl des Verdichters als auch die Drehzahl der Pumpe (12) zu erhöhen.
System nach Anspruch 1, bei dem das Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben ist.
System nach Anspruch 2, bei dem das Kraftfahrzeug ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) ist.
System nach Anspruch 2, bei dem das Kraftfahrzeug ein Brennstoffzellenfahrzeug ist.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Sekundärkreislauffluid ein Gemisch aus Wasser und Monoethylenglykol ist.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Primärkreislauffluid ein Kältemittel ist, insbesondere Propan, R134a, R1234yf, R744 oder Luft.
Verfahren zur Steuerung eines Systems nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin bei einer Änderung einer Solltemperatur T_des für den Innenraum des Kraftfahrzeugs durch einen Fahrzeuginsassen sowohl die Drehzahl des Verdichters im Primärkreislauf als auch der Volumenstrom V des Sekundärkreislauffluids durch den Innenraumwärmeübertrager (11) erhöht werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Erhöhung des Volumenstroms V durch Steigerung der Drehzahl der Pumpe (12) im Sekundärkreislauf (10) bewirkt wird.