DE102019107194A1 - Steuerungssystem für ein Wärmesystem sowie Verfahren zum Betrieb eines Wärmesystems - Google Patents

Steuerungssystem für ein Wärmesystem sowie Verfahren zum Betrieb eines Wärmesystems Download PDF

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Patrick Oswald
Paul Christ
Andreas Siuka
Christian ALLGAEUER
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Abstract

Es wird ein Steuerungssystem (4) für ein Wärmesystem (2) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs angegeben. Das Steuerungssystem (4) ist derart ausgebildet, dass bei einer Heizanforderung für einen Hochvoltspeicher (16) ein HVS-Heizbetrieb aktiviert wird, in welchem der Hochvoltspeicher (16), welcher an einen HVS-Kreis (12) des Wärmesystems (2) angeschlossen ist, mittels einer HVS-Heizquelle (18) beheizt wird, welche hierzu aktiviert wird, sodass Wärme im HVS-Kreis (12) erzeugt oder in diesen übertragen wird, dass bei einer Heizanforderung für einen Innenraum (34) des Fahrzeugs ein Klima-Heizbetrieb aktiviert wird, in welchem der Innenraum (34) mittels eines Heizkreises (14) mit Wärme beheizt wird, welche mit einem Zuheizer (40) im Heizkreis (14) erzeugt wird oder mit einer Wärmepumpe (20, 36) in den Heizkreis (14) übertragen wird oder beides, dass bei aktiviertem Klima-Heizbetrieb festgestellt wird, ob ein Heizdefizit vorliegt, welches angibt, ob die Heizanforderung vollständig mit dem Zuheizer (40) oder mit der Wärmepumpe (20, 36) oder beidem bedienbar ist oder nicht, dass, falls ein Heizdefizit vorliegt, ein Zuheizbetrieb aktiviert wird, in welchem mittels der Wärmepumpe (20, 36) Wärme der HVS-Heizquelle (18) aus dem HVS-Kreis (12) in den Heizkreis (14) übertragen wird, um das Heizdefizit auszugleichen. Weiter wird ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmesystems (2) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mittels eines solchen Steuerungssystems (4) angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem für ein Wärmesystem eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Wärmesystems mittels eines solchen Steuerungssystems.
  • Ein Wärmesystem dient regelmäßig der Temperierung diverser Komponenten, welche hierzu an das Wärmesystem angeschlossen sind. Speziell in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug sind solche Komponenten ein Innenraum und ein Hochvoltspeicher des Fahrzeugs. Das Wärmesystem ist regelmäßig in diversen Betriebszuständen betreibbar, um die jeweiligen Temperierungsanforderungen der einzelnen Komponenten zu bedienen.
  • In der DE 10 2015 220 623 A1 wird ein Wärmesystem beschrieben, mit einem Wärmepumpenbetrieb, bei welchem mit einer Wärmpumpe Abwärme zu einem Heizungswärmetauscher in einem Heizkreis übertragen werden kann und dort zur Innenraumbeheizung verwendet werden kann. Hierbei stehen verschiedene Möglichkeiten zur Versorgung des Heizungswärmetauschers mit Wärme zur Verfügung: Erstens, falls der Hochvoltspeicher in einem HVS-Kühlbetrieb gekühlt wird, wird dessen Wärme zur Beheizung verwendet. Zweitens, falls eine Wärmequelle im Kühlkreis gekühlt werden soll, wird analog deren Wärme verwendet. Und Drittens: eine klassische Aufnahme von Wärme aus der Umgebung über einen Umgebungskühler. In jedem der drei Fälle wird die Wärmepumpe genutzt. Darüber hinaus wird ein Zuheizer im Heizkreis beschrieben, welcher ein Wärmedefizit im Heizkreis ausgleicht, falls die Wärmezufuhr durch den Wärmepumpenbetrieb unzureichend ist.
  • Problematisch ist aber weiterhin, dass die Wärme, welche in den Heizkreis gelangt, unter Umständen nicht ausreichend ist, um eine gegebene Heizanforderung für den Innenraum ausreichend zu bedienen, sodass ein Heizdefizit entsteht, welches zu entsprechenden Komforteinbußen oder zu Defiziten in der Scheibenenteisung führt. Entsprechend ist es erforderlich, durch eine verbesserte Ansteuerung des Wärmesystems ein solches Heizdefizit zu vermeiden.
  • Vor diesem Hintergrund ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Steuerungssystem für ein Wärmesystem anzugeben. Weiter soll ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Wärmesystems angegeben werden. Insgesamt soll eine möglichst effiziente und bedarfsgerechte Innenraumbeheizung gewährleistet sein, bei welcher ein Heizdefizit durch geeignete Ansteuerung des Wärmesystems möglichst weit reduziert oder sogar gänzlich vermieden wird.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Steuerungssystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Steuerungssystem gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
  • Das Steuerungssystem dient zur Steuerung eines Wärmesystems eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, welches nachfolgend kurz lediglich als Fahrzeug bezeichnet wird. Das Fahrzeug weist einen kühlmittelgekühlten Hochvoltspeicher auf. Dieser Hochvoltspeicher ist an einen HVS-Kreis angeschlossen und wird in einem HVS-Heizbetrieb beheizt. Hierzu ist das Steuerungssystem derart ausgebildet, dass bei einer Heizanforderung für den Hochvoltspeicher der HVS-Heizbetrieb aktiviert wird, in welchem der Hochvoltspeicher mittels einer HVS-Heizquelle beheizt wird, welche hierzu aktiviert wird, sodass Wärme im HVS-Kreis erzeugt oder in diesen übertragen wird. Die HVS-Heizquelle ist entweder direkt an den HVS-Kreis angeschlossen oder an einen Kühlkreis des Wärmesystems, welcher dann durch geeignete Stellglieder derart mit dem HVS-Kreis verbunden wird, dass ein erweiterter HVS-Kreis ausgebildet ist, in welchem die HVS-Heizquelle stromauf des Hochvoltspeicher angeordnet ist, um diesen zu beheizen. Weiterhin wird bei einer Heizanforderung für einen Innenraum des Fahrzeugs entsprechend ein Klima-Heizbetrieb aktiviert, in welchem der Innenraum mittels eines Heizkreises mit Wärme beheizt wird. Diese Wärme wird mit einem Zuheizer im Heizkreis erzeugt oder mit einer Wärmepumpe in den Heizkreis übertragen oder beides. Falls die Wärmepumpe verwendet wird, entnimmt diese über einen Umgebungskühler im Kühlkreis Wärme aus der Umgebung oder überträgt Abwärme einer Fahrzeugkomponenten, welche an den Kühlkreis angeschlossen ist, in den Heizkreis.
  • Im Klima-Heizbetrieb ist die Wärme des Zuheizers und der Wärmepumpe jedoch unter Umständen nicht ausreichend. Daher wird bei aktiviertem Klima-Heizbetrieb festgestellt, ob ein Heizdefizit vorliegt, welches angibt, ob die Heizanforderung vollständig mit dem Zuheizer oder mit der Wärmepumpe oder beidem bedienbar ist oder nicht. Mit anderen Worten: es wird überprüft, ob die Wärme, welche mit dem Zuheizer und der Wärmepumpe allein oder in Kombination aufgebracht werden kann, ausreichend ist, um die Heizanforderung zu erfüllen. Falls der Zuheizer und die Wärmepumpe allein oder in Kombination ausreichend sind, wird festgestellt, dass kein Heizdefizit vorliegt. Falls umgekehrt der Zuheizer und die Wärmepumpe nicht ausreichend sind, wird festgestellt, dass ein Heizdefizit vorliegt. Falls tatsächlich ein Heizdefizit vorliegt, wird ein Zuheizbetrieb aktiviert, in welchem zunächst die HVS-Heizquelle aktiviert wird, sofern diese nicht ohnehin schon aufgrund des HVS-Heizbetrieb aktiv ist. Weiter wird im Zuheizbetrieb mittels der Wärmepumpe Wärme der HVS-Heizquelle aus dem HVS-Kreis in den Heizkreis übertragen, um das Heizdefizit auszugleichen. Zusammenfassend wird also eine HVS-Heizquelle für den Hochvoltspeicher im Zuheizbetrieb genutzt, um ein Heizdefizit für den Innenraum auszugleichen. Insofern ist für die HVS-Heizquelle eine vorteilhafte Zweitnutzung realisiert.
  • Der Erfindung liegt zunächst die Beobachtung zugrunde, dass zur Beheizung des Innenraums in bestimmten Fällen nicht ausreichend viel Wärme zur Verfügung steht, also ein Heizdefizit vorliegt. Grundsätzlich stehen wie beschrieben zur Innenraumbeheizung einerseits die Wärmepumpe und andererseits der Zuheizer zur Verfügung. Das Heizdefizit ergibt sich nun daraus, dass die hierbei verwendeten Wärmequellen in bestimmten Fällen nicht ausreichen. Beispielsweise stellt bei extrem geringen Außentemperaturen von z.B. unter -10°C die Umgebung für die Wärmepumpe unter Umständen keine ausreichende Wärmequelle dar. Auch Abwärme von Fahrzeugkomponenten steht nicht unbedingt zur Verfügung. Der Zuheizer ist je nach Größe der Heizanforderung möglicherweise nicht ausreichend dimensioniert, speziell um im Falle geringer Außentemperaturen die benötigte Wärmemenge zu erzeugen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine schnelle Aufheizung gewünscht ist oder der zu beheizende Innenraum sehr groß ist, wie z.B. bei Fahrzeugen der Mittel- und Oberklasse. Ein besonderer Vorteil der Nutzung der HVS-Heizquelle ist dann, dass der Zuheizer im Heizkreis nicht auf Sonderfälle mit großer Heizanforderung ausgelegt werden muss, sondern geringer und z.B. lediglich für Standardfälle hinreichend dimensioniert wird. Dadurch ergeben sich bereits entsprechende Kosten- und Bauraumvorteile. Beispielsweise weist der Zuheizer eine Heizleistung im Bereich von 4 kW bis 5 kW auf, kann jedoch nach konkreter Ausgestaltung des Fahrzeugs und des Wärmesystems auch anders dimensioniert sein.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass das Heizdefizit ausgeglichen wird, indem die HVS-Heizquelle zusätzlich zum Zuheizer verwendet wird und dessen begrenzte Heizleistung vorteilhaft ergänzt. Eine Wärmeaufnahme aus der Umgebung findet im Zuheizbetrieb insbesondere nicht statt, denn die Wärmepumpe wird nun zur Übertragung von Wärme vom HVS-Kreis in den Heizkreis verwendet.
  • In der eingangs genannten DE 10 2015 220 623 A1 ist zwar der Fall beschrieben, dass Abwärme des Hochvoltspeichers, welche in einem HVS-Kühlbetrieb abgeführt werden soll, zur Innenraumbeheizung genutzt wird. Dies bedingt allerdings, dass der Hochvoltspeicher auch tatsächlich Wärme erzeugt, welche abgeführt werden kann und soll, dass also der HVS-Kühlbetrieb aktiv ist. Bei dem vorliegenden Zuheizbetrieb ist dies nicht notwendig und insbesondere auch nicht der Fall, da die HVS-Heizquelle genutzt wird. Dadurch ist ein zusätzliches Wärmepotential erschlossen. Insgesamt ergibt sich eine besonders effiziente und bedarfsgerechte Innenraumbeheizung. Abwärme des Hochvoltspeichers wird dagegen insbesondere im Rahmen des Klima-Heizbetriebs genutzt, wenn die Wärmpumpe Abwärme einer Fahrzeugkomponente, hier dann des Hochvoltspeichers, in den Heizkreis überträgt.
  • Im Zuheizbetrieb wird insbesondere auf dieselbe Weise und mit derselben Komponente Wärme erzeugt wie im HVS-Heizbetrieb, die Wärme wird lediglich einer anderen Verwendung zugeführt. Der Zuheizbetrieb entspricht also im Grunde dem HVS-Heizbetrieb, mit dem Unterschied, dass nicht der Hochvoltspeicher beheizt wird, sondern der Innenraum. Der Zuheizbetrieb und der HVS-Heizbetrieb sind auch gleichzeitig aktivierbar und werden je nach Bedarf auch gleichzeitig aktiviert, sodass dann die Wärme im HVS-Kreis teilweise zur Beheizung des Hochvoltspeichers verwendet wird und teilweise zur Innenraumbeheizung.
  • Ob ein Heizdefizit vorliegt, lässt sich grundsätzlich auf unterschiedliche Weise feststellen. In einer geeigneten Ausgestaltung ist das Steuerungssystem hierzu derart ausgebildet, dass festgestellt wird, dass ein Heizdefizit vorliegt, wenn eine Differenz aus einer Heizkreis-Isttemperatur im Heizkreis und einer Heizkreis-Solltemperatur eine maximale Differenz überschreitet. Das Heizdefizit entspricht entweder der beschriebenen Differenz oder wird aus dieser abgeleitet. Sofern die Heizkreis-Isttemperatur geringer ist als die Heizkreis-Solltemperatur und die Differenz also negativ ist muss weiterhin Wärme zur Innenraumbeheizung aufgebracht werden. Die Differenz aus Heizkreis-Isttemperatur und Heizkreis-Solltemperatur wird auch als Regelabweichung im Heizkreis bezeichnet und wird vorzugsweise verwendet.
  • In einer ebenfalls geeigneten Alternative ist das Steuerungssystem derart ausgebildet, dass festgestellt wird, dass ein Heizdefizit vorliegt, wenn eine Differenz aus einer Soll-Heizleistung und einem Heizleistungspotential eine maximale Differenz überschreitet, wobei die Soll-Heizleistung anhand der Heizanforderung bestimmt wird und das Heizleistungspotential anhand jeweils einer maximalen Heizleistung des Zuheizers und der Wärmepumpe. Anstatt also lediglich die aktuelle Temperatursituation im Heizkreis zu betrachten, wird in dieser Ausgestaltung errechnet, ob die Heizleistung, welche der Zuheizer und die Wärmepumpe maximal aufbringen können, der Soll-Heizleistung entspricht, welche benötigt wird, um die Heizanforderung zu bedienen. Für die Heizleistung der Wärmepumpe werden insbesondere die Außentemperatur, die Kühlmitteltemperatur im Kühlkreis und ggf. die Abwärme von Fahrzeugkomponenten berücksichtigt. Die Soll-Heizleistung wird insbesondere anhand aktueller Bedingungen wie z.B. Luftmenge, Volumenstrom, Luft- und/oder Kühlmitteltemperaturen am Heizungswärmetauscher ermittelt.
  • Beide Varianten zur Feststellung des Heizdefizits sind grundsätzlich auch miteinander kombinierbar und werden dann parallel zueinander eingesetzt.
  • Eine Differenz zwischen Heizkreis-Isttemperatur und Heizkreis-Solltemperatur oder zwischen Soll-Heizleistung und Heizleistungspotential muss an sich noch nicht zwingend bedeuten, dass der Zuheizer und die Wärmpumpe nicht ausreichen, um die Heizanforderung zu bedienen. Daher ist in einer bevorzugten Ausgestaltung das Steuerungssystem derart ausgebildet ist, dass der Zuheizbetrieb verzögert aktiviert wird, indem beim Vorliegen eines Heizdefizits noch eine Wartezeit abgewartet wird, bevor der Zuheizbetrieb aktiviert wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Überschreitung der maximalen Differenz nicht lediglich temporär ist, sondern auch nach der Wartezeit noch vorliegt und somit tatsächlich dauerhaft weitere Wärme benötigt wird. Insbesondere ist es auch vorteilhaft, die zeitliche Entwicklung der Differenz zu überwachen und lediglich dann ein Heizdefizit festzustellen, wenn sich die Differenz nicht oder nicht mit einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit verringert. Dadurch wird dem Zuheizer und der Wärmepumpe die Möglichkeit gegeben, während der Wartezeit die Differenz zunächst zu reduzieren und erst dann, wenn dies nicht gelingt und die Heizleitung von Zuheizer und Wärmepumpe tatsächlich unzureichend ist, der Zuheizbetrieb aktiviert. Außerdem wird durch die Wartezeit verhindert, dass bei einer lediglich zu Beginn großen Heizanforderung sofort der Zuheizbetrieb aktiviert wird, z.B. wenn versehentlich von einem Nutzer eine hohe Soll-Heizkreistemperatur für den Innenraum eingestellt wird. Vielmehr wird abgewartet, ob das Heizdefizit tatsächlich dauerhaft besteht. Die Ausführungen zur Wartezeit gelten analog auch für den umgekehrten Fall der Deaktivierung des Zuheizbetriebs.
  • Die Wärmepumpe wird je nach Anforderung vom Steuerungssystem geeignet angesteuert und hierzu vorzugsweise geregelt, um eine Heizanforderung für den Innenraum oder den Hochvoltspeicher oder beider je nach Größe der Heizanforderung und je nach Wärme, welche zur Verfügung steht, möglichst optimal zu erfüllen, ggf. in Kombination mit dem Zuheizer.
  • Die Wärmpumpe ist Teil eines Kältekreises des Wärmesystems und weist einen Chiller und einen Kondensator auf, welche beide an den Kältekreis angeschlossen sind. Kühlmittelseitig ist der Chiller an den HVS-Kreis angeschlossen und der Kondensator ist an den Heizkreis angeschlossen. Der Kältekreis weist einen Verdichter auf, welcher mit einer bestimmten Verdichterdrehzahl betrieben wird, welche einstellbar ist und vom Steuerungssystem eingestellt wird, um eine bestimmte Heiz- und Kälteleistung des Kältekreises einzustellen. Die Heizleistung des Kältekreises, genauer der Wärmepumpe, d.h. die Menge an Wärme, welche von der Wärmpumpe in den Heizkreis übertragen wird, ist abhängig von der elektrischen Antriebsleistung des Verdichters und von der Kälteleistung des Kältekreises, genauer gesagt des Chillers, also der Wärmeentnahme aus dem HVS-Kreis durch den Chiller.
  • Weiter weist der Kältekreis einen Klima-Verdampfer auf, zur Kühlung des Innenraums in einem Klima-Kühlbetrieb. Stromauf jeweils vom Klima-Verdampfer und vom Chiller ist ein Expansionsventil angeordnet, welches geöffnet wird, um den Verdampfer zu aktivieren und geschlossen wird, um den Verdampfer zu deaktivieren. Der Klima-Verdampfer ist im Klima-Heizbetrieb deaktiviert. Nachfolgend wird unter „Expansionsventil“ das Expansionsventil stromauf des Chillers verstanden, sofern nicht anders angegeben. Das Expansionsventil wird mit einer bestimmten Öffnung betrieben, welche einstellbar ist und vom Steuerungssystem eingestellt wird, um eine bestimmte Kältemittelüberhitzung einzustellen und so die Kälteleistung des Chillers einzustellen.
  • Über die Verdichterdrehzahl, welche vorzugsweise über die Regelabweichung im Heizkreis eingestellt wird, wird letztlich der Kältemittelmassenstrom und somit ebenfalls die Kälteleistung am Chiller eingestellt, welche somit über die Öffnung des Expansionsventils zusätzlich beeinflusst wird.
  • Durch Schließen des Expansionsventils wird der Kältemittelmassenstrom reduziert, dadurch die Kälteleistung verringert, woraus eine höhere Kältemittelüberhitzung stromab des Chillers folgt. Beim Öffnen des Expansionsventils erfolgt umgekehrt eine Steigerung des Kältemittelmassenstroms, dadurch eine Steigerung der Kälteleistung, und somit eine Reduzierung der Kältemittelüberhitzung. Mit anderen Worten: durch die Öffnung des Expansionsventils ist die Kälteleistung am Chiller, die durch die Verdichterdrehzahl des Verdichters eingestellt wurde wieder reduzierbar und also zusätzlich einstellbar. Der Verdichter muss dann höher angesteuert werden, damit wieder die gewünschte Kälteleistung erreicht wird. Dadurch benötigt dieser eine höhere Antriebsleistung.
  • Da die Heizleistung der Wärmepumpe nun die Summe aus der Antriebsleistung des Verdichters und der Kälteleistung am Chiller ist, wird in einer bevorzugten Ausgestaltung auf diese Weise mittels des Expansionsventils der Wirkungsgrad der Wärmepumpe im Zuheizbetrieb derart manipuliert, dass die erforderliche Heizleistung zum Zuheizen bei möglichst geringer und zugleich begrenzter Wärmeentnahme aus dem HVS-Kreis erfolgt. Dies ist speziell von Vorteil, falls gleichzeitig zum Zuheizbetrieb auch der HVS-Heizbetrieb aktiv ist, welcher eine bestimmte Wärme im HVS-Kreis erfordert und also die mögliche Wärmeentnahme durch den Chiller begrenzt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Wärmepumpe derart angesteuert, dass deren Wirkungsgrad derart eingestellt wird, dass die Wärmeentnahme aus dem HVS-Kreis begrenzt ist und das Heizdefizit dennoch ausglichen wird. Mit anderen Worten: bei gleichzeitig aktiviertem Zuheizbetrieb und HVS-Heizbetrieb werden der Verdichter und das Expansionsventil derart aufeinander abgestimmt angesteuert, dass die Wärme, welche über die Wärmepumpe dem HVS-Kreis entnommen wird und in den Heizkreis übertragen wird, in Verbindung mit der Antriebsleistung des Verdichter das Heizdefizit ausgleicht und dabei dennoch begrenzt ist, sodass der Hochvoltspeicher noch ausreichen beheizt wird. Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe ergibt sich insbesondere aus dem Verhältnis von der Antriebsleistung des Verdichters zur Heizleistung und ist somit prinzipbedingt auch abhängig von der Kälteleistung des Chillers. Der Wirkungsgrad ist über die Verdichterdrehzahl und die Öffnung des Expansionsventils insbesondere automatisch einstellbar. Durch Einstellen des Wirkungsgrads wird somit für eine bestimmte Heizleistung deren Zusammensetzung aus Kälteleistung und Antriebsleistung eingestellt, d.h. es wird das Verhältnis von Wärmeentnahme aus dem HVS-Kreis zur elektrischen Leistung für den Verdichter eingestellt. Dadurch wird die Wärmeentnahme durch den Chiller, also dessen Kälteleistung, auf die im HVS-Kreis verfügbare Wärme begrenzt und zum Erreichen einer bestimmten Heizleistung mit zusätzlicher Antriebsleistung des Verdichters ergänzt. Die im HVS-Kreis verfügbare Wärme ist bestimmt durch die insgesamt im HVS-Kreis vorhandene Wärme und denjenigen Anteil davon, welcher zum Heizen des Hochvoltspeichers benötigt wird. Die verfügbare Wärme wird insbesondere anhand der Kühlmittel-Isttemperatur stromab des Chillers und stromauf des Hochvoltspeichers ermittelt. Die Heizleistung ist durch das auszugleichende Heizdefizit bestimmt.
    Bei aktiviertem Zuheizbetrieb ist prinzipbedingt immer auch der Klima-Heizbetrieb aktiv. Ist der Zuheizbetrieb aktiv, dann werden - sofern die Wärmepumpe aktiv ist - das Expansionsventil und der Verdichter vorzugsweiseweise genau nach der gleichen Regelungslogik angesteuert, wie im Klima-Heizbetrieb ohne zusätzlichen Zuheizbetrieb.
  • Bevorzugterweise ist das Steuerungssystem derart ausgebildet, dass die Leistung des Kältekreises des Wärmesystems mit einem Verdichterregler geregelt wird, welcher als Stellgröße die Verdichterdrehzahl des Verdichters verwendet und welchem als Regelgröße die Heizkreis-Isttemperatur des Kühlmittels im Heizkreis zugeführt wird und als Führungsgröße die Heizkreis-Solltemperatur. Dabei wird der Verdichterregler unabhängig davon verwendet, ob im Klima-Heizbetrieb der Zuheizbetrieb aktiviert ist oder nicht. Je größer die Differenz aus Heizkreis-Isttemperatur und Heizkreis-Solltemperatur ist, desto größer wird die Verdichterdrehzahl eingestellt und desto mehr Heizleistung erzeugt der Kältekreis insgesamt. Im Klima-Heizbetrieb ist das Ziel des Verdichterreglers insgesamt, die Heizanforderung zu bedienen und die Heizkreis-Isttemperatur an die Heizkreis-Solltemperatur heranzuführen.
  • Sofern gleichzeitig zum Zuheizbetrieb auch der HVS-Heizbetrieb aktiv ist, stehen die Wärmepumpe und der Hochvoltspeicher in Konkurrenz bezüglich der Wärme im HVS-Kreis. Insbesondere ist der Chiller im HVS-Kreis stromauf des Hochvoltspeichers und stromab der HVS-Heizquelle angeordnet und entnimmt dem HVS-Kreis somit Wärme, bevor diese zum Hochvoltspeicher gelangt, sodass dieser unter Umständen nicht ausreichend beheizt wird. Daher ist in einer bevorzugten Ausgestaltung das Steuerungssystem derart ausgebildet, dass der Verdichterregler im Zuheizbetrieb derart begrenzt ist, dass die Kälteleistung des Chillers im HVS-Kreis begrenzt wird. Hierzu wird der Verdichterregler, genauer die Verdichterdrehzahl, abhängig von der Kühlmittel-Isttemperatur im HVS-Kreis stromab des Chillers begrenzt. Die Leistung der Wärmepumpe wird also derart geregelt, dass die Wärmeentnahme durch die Wärmepumpe beschränkt ist und somit noch ausreichend Wärme zur Beheizung des Hochvoltspeichers verbleibt.
  • Bei aktivem Klima-Heizbetrieb wird, sofern die Wärmepumpe aktiv ist, deren Leistung vorzugsweise beeinflusst, indem das Expansionsventil auf die Überhitzung des Kältemittels geregelt wird. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist hierzu das Steuerungssystem derart ausgebildet, dass das Expansionsventil mit einem Ventilregler geregelt wird, welcher als Stellgröße die Öffnung des Expansionsventils stromauf des Chillers verwendet und welchem als Regelgröße eine Ist-Überhitzung im Kältekreis zugeführt wird und als Führungsgröße eine Soll-Überhitzung. Dabei wird der Ventilregler unabhängig davon verwendet, ob im Klima-Heizbetrieb der Zuheizbetrieb aktiviert ist oder nicht. Bei aktiviertem Zuheizbetrieb beeinflusst die Soll-Überhitzung, welche Menge an Wärme dem HVS-Kreis zur Innenraumbeheizung entnommen wird. Der Zusammenhang ist dabei derart, dass mit geringerer Soll-Überhitzung das Expansionsventil weniger weit geöffnet wird und dadurch mehr Wärme von der Wärmepumpe in den Heizkreis übertragen wird. Mit größerem Heizdefizit wird demnach eine geringere Soll-Überhitzung gewählt.
  • Analog zum Verdichterregler wird zweckmäßigerweise auch der Ventilregler begrenzt, um die Wärmeentnahme aus dem HVS-Kreis zu begrenzen und den Wirkungsgrad im Zuheizbetrieb künstlich zu verschlechtern, damit möglichst viel Antriebsleistung für den Verdichter anfällt, welche letztlich auch über die Wärmepumpe zur Beheizung des Innenraums verwendet wird, speziell dann, wenn zugleich der HVS-Heizbetrieb aktiv ist. Hierfür werden nachfolgend zwei Varianten beschrieben, welche grundsätzlich auch miteinander kombinierbar sind. In einer geeigneten Variante ist das Steuerungssystem derart ausgebildet, dass die Leistung der Wärmepumpe, d.h. hier insbesondere die Kälteleistung des Chillers, im Zuheizbetrieb begrenzt wird, indem die Soll-Überhitzung abhängig von einer Kühlmittel-Isttemperatur im HVS-Kreis stromab des Chillers einem Kennfeld entnommen wird. In einer anderen geeigneten Variante ist das Steuerungssystem derart ausgebildet, dass die Leistung der Wärmpumpe, d.h. hier insbesondere die Kälteleistung des Chillers, im Zuheizbetrieb begrenzt wird, indem mit steigender Kühlmittel-Isttemperatur im HVS-Kreis stromab des Chillers die Öffnung des Expansionsventils verringert wird. Im Ergebnis ist in jedem Fall insbesondere sichergestellt, dass der Hochvoltspeicher trotz Wärmeentnahme am Chiller weiterhin ausreichend beheizt wird.
  • Die Begrenzung der Wärmeentnahme bei der Regelung des Expansionsventils oder des Verdichters oder beider wird alternativ durch ein HVS-Steuergerät des Hochvoltspeichers vorgegeben, indem von diesem eine Stellgröße oder die Kälteleistung des Chillers als Regelgröße an ein Steuergerät, welches den Verdichter und das Expansionsventil steuert, übermittelt wird. Das HVS-Steuergerät ist dabei insbesondere ein Teil des Steuerungssystems.
  • Bei deaktiviertem HVS-Heizbetrieb wird für den Klima-Heizbetrieb vorzugsweise fallabhängig die Wärmepumpe oder der Zuheizer oder beide aktiviert. Falls nämlich in einem ersten Fall die Heizanforderung für den Innenraum vollständig mittels der Wärmepumpe aus der Umgebung oder mittels Abwärme aus Komponenten im Kühlkreis bedienbar ist, wird lediglich die Wärmepumpe aktiviert, welche dann zur Innenraumbeheizung entsprechend Wärme aus der Umgebung oder Abwärme aus anderen Komponenten im Kühlkreis entnimmt. Auch hierbei werden zweckmäßigerweise die bereits beschriebenen Regler für Verdichter und Expansionsventil verwendet, jedoch insbesondere ohne die beschriebenen Begrenzungen, so dass eine maximale Effizienz erreicht wird. Ob die Wärmepumpe allein ausreicht, wird beispielsweise anhand der Außentemperatur oder einer Kühlmitteltemperatur im Kühlkreis und der Heizanforderung bestimmt. Falls dagegen in einem zweiten Fall die Heizanforderung für den Innenraum nicht vollständig mittels der Wärmepumpe aus der Umgebung bedienbar ist, wird vorzugsweise der Zuheizer aktiviert, um Wärme zur Innenraumbeheizung zu erzeugen, und die Wärmepumpe wird zusätzlich lediglich dann aktiviert, wenn die Heizleistung des Zuheizers nicht ausreicht. Auch hierbei werden Verdichter und Expansionsventil insbesondere wie bereits beschrieben geregelt. Insgesamt ergibt sich eine Priorisierung des Zuheizers, welche im Ergebnis effizienter ist als eine umgekehrte Priorisierung, bei welcher ein Leistungsdefizit der Wärmepumpe mit dem Zuheizer ausgeglichen würde.
  • Bevorzugterweise ist das Steuerungssystem derart ausgebildet, dass die HVS-Heizquelle aktiviert wird, wenn der Zuheizbetrieb oder der HVS-Heizbetrieb oder beide aktiv sind. Zusätzlich wird die HVS-Heizquelle mit einem Heizregler geregelt, welche als Stellgröße eine Heizleistung der HVS-Heizquelle verwendet und welchem als Regelgröße eine Kühlmittel-Isttemperatur des Kühlmittels stromauf des Hochvoltspeichers zugeführt wird und als Führungsgröße eine entsprechende Kühlmittel-Solltemperatur.
  • Bei gleichzeitig aktiviertem Zuheizbetrieb und HVS-Heizbetrieb ergibt sich entsprechend hoher Wärmebedarf im HVS-Kreis, welcher durch die beschriebene Regelung der HVS-Heizquelle optimal bedient wird. Die Wärmeentnahme zur Innenraumbeheizung erfolgt abhängig vom Heizdefizit, welches sich daraus ergibt, dass der Zuheizer im Heizkreis für die Heizanforderung nicht ausreicht. Der Heizregler stellt nun sicher, dass die erforderliche Wärmeentnahme zur Innenraumbeheizung erfolgt und andererseits die Wärmeentnahme aus dem HVS-Kreis begrenzt wird, damit der Hochvoltspeicher ausreichend beheizt wird. Die Begrenzung der Wärmeentnahme stellt dann sicher, dass die Beheizung des Hochvoltspeichers in letzter Konsequenz, d.h. bei insgesamt unzureichender Leistung des Zuheizers und der HVS-Heizquelle, gegenüber der Innenraumbeheizung priorisiert ist.
  • Die Innenraumbeheizung mittels der Wärmepumpe mit Wärme aus der Umgebung und der HVS-Heizbetrieb schließen sich insbesondere gegenseitig aus, d.h. bei gleichzeitig aktiviertem HVS-Heizbetrieb und Klima-Heizbetrieb wird die Wärme zur Innenraumbeheizung mittels des Zuheizers im Heizkreis erzeugt oder es wird der Zuheizbetrieb aktiviert und dadurch ggf. zusätzlich zum Zuheizer mittels der Wärmepumpe Wärme von der HVS-Heizquelle in den Heizkreis übertragen. Falls der HVS-Heizbetrieb aktiv ist, der Klima-Heizbetrieb jedoch nicht, wird der Chiller insbesondere kältemittelseitig abgesperrt, indem das Expansionsventil geschlossen wird, um keine Wärme aus dem HVS-Kreis über die Wärmepumpe zu verlieren.
  • Nach einer Deaktivierung des HVS-Heizbetriebs oder des Zuheizbetriebs oder beider steht im HVS-Kreis regelmäßig noch Restwärme zur Verfügung, welche aus einer Temperaturspreizung zwischen dem Kühlmittel im HVS-Kreis und der Zelltemperatur des Hochvoltspeichers ergibt. Das Kühlmittel ist dabei wärmer als der Hochvoltspeicher und die Differenz steht als Restwärme vorteilhaft zur Innenraumbeheizung zur Verfügung. Bevor also im Klima-Heizbetrieb die Wärme wieder aus der Umgebung oder Abwärme aus anderen Komponenten im Kühlkreis aufgenommen wird, wird also zweckmäßigerweise zunächst die genannte Restwärme mittels der Wärmpumpe in den Heizkreis übertragen. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Steuergerät hierzu derart ausgebildet, dass im Klima-Heizbetrieb und bei inaktivem Zuheizbetrieb zur Innenraumbeheizung die Wärmepumpe aktiviert wird und eine Restwärme aus dem Kühlmittel im HVS-Kreis entnimmt, wobei die Restwärme sich als ein Wärmeüberschuss im HVS-Kreis daraus ergibt, dass die Kühlmittel-Isttemperatur stromauf des Hochvoltspeichers größer ist als eine Zelltemperatur des Hochvoltspeichers.
  • Woher im Zuheizbetrieb die Wärme im HVS-Kreis stammt, ist an sich zunächst von untergeordneter Bedeutung. Relevant ist jedoch, dass die Wärme in den HVS-Kreis gelangt, um dort zum Chiller zu gelangen und mittels der Wärmepumpe übertragen zu werden. Die Wärme wird entweder direkt im HVS-Kreis erzeugt oder mittels des Kühlmittels vom Kühlkreis in den HVS-Kreis übertragen. In letzterem Fall wird das Wärmesystem von dem Steuerungssystem für den Zuheizbetrieb und insbesondere auch für den HVS-Heizbetrieb mittels geeigneter Stellglieder derart umgeschaltet, dass ein Teilabschnitt des Kühlkreises, auf welchem sich die HVS-Heizquelle befindet, an den HVS-Kreis angeschlossen ist, sodass dieser erweitert ist und ein erweiterter HVS-Kreis ausgebildet ist, in welchem die HVS-Heizquelle stromauf des Chillers angeordnet ist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Wärmequelle ein HVS-Zuheizer, welcher vorzugsweise an den HVS-Kreis angeschlossen ist, d.h. in aktivem Zustand direkt im HVS-Kreis Wärme erzeugt. Der HVS-Zuheizer ist insbesondere ähnlich dem Zuheizer im Heizkreis vorzugsweise als ein elektrischer Durchlauferhitzer ausgebildet. Im Zuheizbetrieb wird dann der HVS-Zuheizer vom Steuerungssystem aktiviert, um Wärme zur Beheizung des Innenraums zu erzeugen. Dabei werden vorzugsweise die zuvor beschriebenen Regler verwendet, sodass der HVS-Zuheizer automatisch die benötigte Heizleistung für den Hochvoltspeicher oder den Innenraum oder für beide zugleich erzeugt. Der HVS-Zuheizer weist beispielsweise eine Heizleistung im Bereich von 4 kW bis 5 kW auf. Eine solche Ausgestaltung ist aber nicht zwingend und der HVS-Zuheizer ist in einer Variante anders dimensioniert, insbesondere abhängig von der Ausgestaltung des Hochvoltspeichers.
  • Alternativ oder zusätzlich wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine vertrimmte E-Maschine des Fahrzeugs als HVS-Heizquelle verwendet. Die E-Maschine dient dem Antrieb des Fahrzeugs und wird hierzu vom Hochvoltspeicher mit elektrischer Energie versorgt. Die E-Maschine ist an den Kühlkreis des Wärmesystems angeschlossen. Durch eine Vertrimmung wird die E-Maschine gezielt ineffizient betrieben und erzeugt dadurch Abwärme, welche dann zum Heizen verwendet wird.
  • Insgesamt ist das Verhalten des Steuerungssystems und somit auch des Wärmesystems maßgeblich durch die Temperierungsanforderungen bestimmt, welche beispielsweise aus einer konkreten Nutzereingabe über ein Bedienelement des Steuerungssystems resultieren oder welche Umgebungsbedingungen berücksichtigen, welche mittels geeigneter Sensoren des Steuerungssystems ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich wird eine Temperierungsanforderung an das Steuerungssystem von einem übergeordneten Master-Steuerungssystem bestimmt, beispielsweise einer Klimatisierungslogik.
  • Das Steuerungssystem ist zur Steuerung des Wärmesystems insbesondere mit diesem verbunden. Darunter wird insbesondere verstanden, dass das Steuerungssystems mittels einer Anzahl von Stellgliedern das Wärmesystem manipuliert und einstellt. Zudem wird 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. 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.
  • Bei den oben beschriebenen Steuer- und Regelkonzepten für die diversen Komponenten kommt den diversen Kennfeldern, 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. Die Kennfelder werden insbesondere durch geeignete Versuche bestimmt und geeigneterweise im Sinne einer Wertetabelle oder einer Berechnungsvorschrift in einem Speicher des Steuerungssystems hinterlegt.
  • Bei dem Verfahren zum Betrieb eines Wärmesystems eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, wird das Wärmesystem mittels eines Steuerungssystems wie vorstehend beschrieben gesteuert. Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst durch ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einem Steuerungssystem wie vorstehend beschrieben. Die Aufgabe wird weiter insbesondere auch gelöst durch die Verwendung eines Steuerungssystems wie beschrieben in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug. Ein Elektro- oder Hybridfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass bei diesem der Hochvoltspeicher zum Antrieb verwendet wird. Der Hochvoltspeicher wird auch als Energiespeicher oder als Batterie bezeichnet.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
    • 1 ein Wärmesystem und ein Steuerungssystem,
    • 2 einen Kältekreis des Wärmesystems,
    • 3 eine Variante des Kältekreises,
    • 4 ein Regelkonzept für einen Verdichter des Wärmesystems,
    • 5 ein Regelkonzept für ein Expansionsventil des Wärmesystems,
    • 6 ein Regelkonzept für eine HVS-Heizquelle des Wärmesystems.
  • In 1 sind ein Wärmesystem 2 sowie ein Steuerungssystem 4 zur Steuerung diverser Komponenten des Wärmesystems 2 gezeigt. Das Wärmesystem 2 ist ausgebildet zur Verwendung in einem nicht näher gezeigten Elektro- oder Hybridfahrzeug. Das Wärmesystem 2 weist einen Gesamtkühlkreis 6 auf sowie einen Kältekreis 8, welcher in 1 nicht dargestellt ist, für welchen aber zwei Varianten in den 2 und 3 gezeigt sind. Das Wärmesystem 2 in 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, die nachfolgend beschriebenen Aspekte, speziell bezüglich der Verschaltung jeweils zweier Komponenten zueinander, sind jedoch auch einzeln anwendbar.
  • Der Gesamtkühlkreis 6 weist mehrere Kreise 10, 12, 12', 14 auf, nämlich einen Kühlkreis 10, einen HVS-Kreis 12 und einen Heizkreis 14. Zudem ist durch entsprechendes Umschalten des Wärmesystems 2 ein erweiterter HVS-Kreis 12' ausbildbar, welcher eine Kombination des HVS-Kreises 12 mit einem Teilabschnitt 15 des Kühlkreises 10 ist. Die Kreise 10, 12, 12' und 14 sind in 1 durch gestrichene Linien verdeutlicht. An den HVS-Kreis 12 ist ein Hochvoltspeicher 16 angeschlossen, zur Versorgung eines elektrischen Antriebs des Fahrzeugs, und weiter eine HVS-Heizquelle 18, welche hier ein HVS-Zuheizer ist und als elektrischer Durchlauferhitzer ausgebildet ist. Weiter ist an den HVS-Kreis 12 ein Chiller 20 angeschlossen, welcher auch an den Kältekreis 8 angeschlossen ist. An den Kühlkreis 10 ist auf dem Teilabschnitt 15 eine Fahrzeugkomponente 24 des Fahrzeugs angeschlossen, beispielsweise ein E-Maschine des Fahrzeugs oder eine Leistungselektronik und allgemein eine Wärmequelle. Zum Wärmetausch mit der Umgebung ist an den Kühlkreis 8 außerdem ein erster Umgebungskühler 26 angeschlossen, welcher hier mit einem zweiten Umgebungskühler 28 zu einem Kühlerpaket kombiniert ist. Grundsätzlich ist aber auch eine Ausgestaltung ohne den zweiten Umgebungskühler 28 möglich.
  • An den Heizkreis 14 ist ein Heizungswärmetauscher 32 angeschlossen, zur Beheizung eines Innenraums 34 des Fahrzeugs. An den Heizkreis 14 ist weiter ein Kondensator 36 angeschlossen, welcher auch an den Kältekreis 8 angeschlossen ist und zusammen mit dem Chiller 20 eine Wärmepumpe 20, 36 bildet, welche Wärme vom HVS-Kreis 12 in den Heizkreis 14 überträgt. Im Heizkreis 14 ist weiter ein Zuheizer 40 angeordnet, welcher hier als elektrischer Durchlauferhitzer ausgebildet ist. Der Heizkreis 14 ist über einen Heizkreis-Vorlauf 42 und einen Heizkreis-Rücklauf 44 an den Kühlkreis 10 angeschlossen. Der HVS-Kreis 12 ist ebenfalls an den Kühlkreis 8 angebunden, nicht jedoch an den Heizkreis 14. Speziell in der gezeigten Verschaltung ist durch entsprechendes Umschalten des Wärmesystems 2 wahlweise eine Serienschaltung oder eine Parallelschaltung des Hochvoltspeichers 16 und der Fahrzeugkomponente 24 möglich sowie die Einstellung des erweiterten HVS-Kreises 12'.
  • An den Kältekreis 8 ist ein Klima-Verdampfer 56 angeschlossen, zur Kühlung des Innenraums 34. Zum Einstellen der Kühlleistung des Klima-Verdampfers 56 ist diesem ein Expansionsventil 58 vorgeschaltet. Dem Chiller 20 ist ebenfalls ein Expansionsventil 60 vorgeschaltet. Im Kältekreis 8 ist weiter ein Verdichter 62 angeordnet sowie vorliegend ein oder zwei innere Wärmetauscher 64. In einer nicht gezeigten Variante ist kein innerer Wärmetauscher 64 vorhanden.
  • Das Wärmesystem 2 weist weiter ein Ausgleichsvolumen 52 für das Kühlmittel auf. Weiterhin sind im Gesamtkühlkreis 2 an diversen Stellen Temperatursensoren 54 angeschlossen, zur Messung der Temperatur des Kühlmittels. Zum Umschalten des Wärmesystems 2 zwischen diversen Schaltzuständen und zum Einstellen verschiedener Betriebsmodi sind verschiedene Stellglieder, vorliegend Ventile 66, 68, 70, 72 im Gesamtkühlkreis 4 angeordnet. Weiter sind drei 3/2-Wegeventile 68, 70, 72 angeordnet, welche je nach Schaltstellung diverse Serien- und Parallelschaltungen von erstem Umgebungskühler 26, Chiller 20, Komponente 24 und Hochvoltspeicher 16 ermöglichen. Der Heizkreis 14 ist jeweils unabhängig hiervon mittels des Absperrventils 66 absperrbar.
  • Bei einer Heizanforderung für den Hochvoltspeicher 16 wird ein HVS-Heizbetrieb aktiviert, in welchem der Hochvoltspeicher 16 mittels der HVS-Heizquelle 18 beheizt wird, welche hierzu aktiviert wird, sodass Wärme im HVS-Kreis 12 erzeugt wird. Die HVS-Heizquelle 18 ist entweder wie in 1 gezeigt direkt an den HVS-Kreis 12 angeschlossen oder in einer nicht gezeigten Variante an den Kühlkreis 10 und im erweiterten HVS-Kreis 12'. Bei einer Heizanforderung für den Innenraum 34 wird entsprechend ein Klima-Heizbetrieb aktiviert, in welchem der Innenraum 34 mittels des Heizkreises 14 beheizt wird. Diese Wärme wird mit dem Zuheizer 40 erzeugt oder mit der Wärmepumpe 20, 36 in den Heizkreis 14 übertragen. Falls die Wärmepumpe 20, 36 verwendet wird, entnimmt diese über den Umgebungskühler 26 Wärme aus der Umgebung oder überträgt Abwärme der Fahrzeugkomponente 24 oder des Hochvoltspeichers 16 in den Heizkreis 14.
  • Im Klima-Heizbetrieb ist die Wärme des Zuheizers 40 und der Wärmepumpe 20, 36 unter Umständen nicht ausreichend. Daher wird bei aktiviertem Klima-Heizbetrieb festgestellt, ob ein Heizdefizit vorliegt, welches angibt, ob die Heizanforderung vollständig mit dem Zuheizer 40 oder mit der Wärmepumpe 20, 36 oder beidem bedienbar ist oder nicht. Falls tatsächlich ein Heizdefizit vorliegt, wird ein Zuheizbetrieb aktiviert, in welchem zunächst die HVS-Heizquelle 18 aktiviert wird, sofern diese nicht ohnehin schon aufgrund des HVS-Heizbetriebs aktiv ist. Im Zuheizbetrieb wird dann mittels der Wärmepumpe 20, 36 Wärme der HVS-Heizquelle 18 aus dem HVS-Kreis 12 in den Heizkreis 14 übertragen, um das Heizdefizit auszugleichen.
  • Ob ein Heizdefizit vorliegt, lässt sich grundsätzlich auf unterschiedliche Weise feststellen. Beispielsweise ist das Steuerungssystem 4 hierzu derart ausgebildet, dass festgestellt wird, dass ein Heizdefizit vorliegt, wenn eine Differenz aus einer Heizkreis-Isttemperatur T-HK-I im Heizkreis 14 und einer Heizkreis-Solltemperatur T-HK-S eine maximale Differenz überschreitet. Alternativ wird festgestellt, dass ein Heizdefizit vorliegt, wenn eine Differenz aus einer Soll-Heizleistung und einem Heizleistungspotential eine maximale Differenz überschreitet, wobei die Soll-Heizleistung anhand der Heizanforderung bestimmt wird und das Heizleistungspotential anhand jeweils einer maximalen Heizleistung des Zuheizers 40 und der Wärmepumpe 20, 36. Vorliegend wird zudem der Zuheizbetrieb verzögert aktiviert, indem beim Vorliegen eines Heizdefizits noch eine Wartezeit abgewartet wird, bevor der Zuheizbetrieb tatsächlich aktiviert wird.
  • Die Menge an Wärme, welche von der Wärmpumpe 20, 36 in den Heizkreis 14 übertragen wird, ist die Summe aus der Antriebsleistung des Verdichters 62 und der Kälteleistung des Chillers 20.Der Verdichter 62 wird mit einer bestimmten Verdichterdrehzahl VD betrieben, welche geeignet eingestellt wird, um eine bestimmte Heizleistung des Kältekreises 8 einzustellen. Dabei wird eine bestimmte Kälteleistung am Chiller umgesetzt. Zusätzlich wird für das Expansionsventil 60 eine bestimmte Öffnung Ö eingestellt, um die Kälteleistung des Chillers 20 zu beeinflussen. In den 4 und 5 ist jeweils ein Regelkonzept für den Verdichter 62 bzw. das Expansionsventil 60 dargestellt.
  • Die Leistung des Kältekreises 8 wird vorliegend mit einem Verdichterregler R1 wie in 4 gezeigt geregelt. Der Verdichterregler R1 verwendet als Stellgröße die Verdichterdrehzahl VD, während als Regelgröße die tatsächliche Heizkreis-Isttemperatur T-HK-I im Heizkreis 14 zugeführt wird und als Führungsgröße die Heizkreis-Solltemperatur T-HK-S, welche z.B. vom einer Klimafunktionslogik vorgegeben wird. Dabei wird der Verdichterregler R1 unabhängig davon verwendet, ob im Klima-Heizbetrieb der Zuheizbetrieb aktiviert ist oder nicht. Je größer die Differenz aus Heizkreis-Isttemperatur T-HK-I und Heizkreis-Solltemperatur T-HK-S ist, desto größer wird die Verdichterdrehzahl VD eingestellt und desto mehr Heizleistung erzeugt der Kältekreis 8 insgesamt.
  • Sofern gleichzeitig zum Zuheizbetrieb auch der HVS-Heizbetrieb aktiv ist, stehen die Wärmepumpe 20, 36 und der Hochvoltspeicher 16 in Konkurrenz bezüglich der Wärme im HVS-Kreis 12. Daher ist der Verdichterregler R1 in 4 im Zuheizbetrieb begrenzt. Hierzu weist das Steuerungssystem 4 einen Begrenzungsregler BR auf, welcher die Verdichterdrehzahl VD begrenzt, nämlich abhängig von der Kühlmittel-Isttemperatur T-KM-I .
  • In 5 ist verdeutlicht, wie bei aktivem Klima-Heizbetrieb die Leistung der Wärmepumpe 20, 36 geregelt wird. Dabei wird das Expansionsventil 60 mit einem Ventilregler R2 geregelt, welcher als Stellgröße die Öffnung Ö des Expansionsventils 60 verwendet und welchem als Regelgröße eine Ist-Überhitzung Ü-I im Kältekreis 8 zugeführt wird und als Führungsgröße eine Soll-Überhitzung Ü-S. Dabei wird der Ventilregler R2 ebenfalls unabhängig davon verwendet, ob im Klima-Heizbetrieb der Zuheizbetrieb aktiviert ist oder nicht.
  • Analog zum Verdichterregler R1 wird auch der Ventilregler R2 begrenzt, um die Wärmeentnahme aus dem HVS-Kreis 12 zu begrenzen, speziell dann, wenn zugleich der HVS-Heizbetrieb aktiv ist. Generell wird dabei die Kälteleistung des Chillers 20 im Zuheizbetrieb begrenzt. Dies wird in einer ersten Variante erreicht indem, die Soll-Überhitzung Ü-S abhängig von der Kühlmittel-Isttemperatur T-KM-I im HVS-Kreis 12 stromab des Chillers 20 einem Kennfeld K1 entnommen wird. In einer anderen Variante wird mit steigender Kühlmittel-Isttemperatur T-KM-I die Öffnung Ö des Expansionsventils 60 verringert. In 5 sind beide Varianten zugleich gezeigt.
  • Die HVS-Heizquelle 18 wird vorliegend aktiviert, wenn der Zuheizbetrieb oder der HVS-Heizbetrieb oder beide aktiv sind. Zusätzlich wird die HVS-Heizquelle 18 wie in 6 gezeigt mit einem Heizregler R3 geregelt, welcher als Stellgröße eine Heizleistung der HVS-Heizquelle 18 verwendet und welchem als Regelgröße die Kühlmittel-Isttemperatur T-KM-I zugeführt wird und als Führungsgröße eine entsprechende Kühlmittel-Solltemperatur T-KM-S.
  • Bei gleichzeitig aktiviertem Zuheizbetrieb und HVS-Heizbetrieb ergibt sich entsprechend hoher Wärmebedarf im HVS-Kreis, welcher durch die beschriebene Regelung der HVS-Heizquelle 18 in Verbindung mit den beiden Regelungen für den Verdichter 62 und das Expansionsventil 60 automatisch optimal bedient wird. Die Wärmeentnahme zur Innenraumbeheizung erfolgt abhängig vom Heizdefizit, welches sich daraus ergibt, dass der Zuheizer 40 im Heizkreis 14 für die Heizanforderung nicht ausreicht. Der Heizregler R3 stellt nun sicher, dass die HVS-Heizquelle 18 je nach Bedarf zuheizt, um einerseits die erforderliche Wärmeentnahme zur Innenraumbeheizung und andererseits die Beheizung des Hochvoltspeichers 16 zu gewährleisten. Die Begrenzung der Wärmeentnahme stellt dann sicher, dass die Beheizung des Hochvoltspeichers 16 in letzter Konsequenz gegenüber der Innenraumbeheizung priorisiert ist.
  • Nach einer Deaktivierung des HVS-Heizbetriebs steht im HVS-Kreis 12 regelmäßig noch Restwärme zur Verfügung, welche aus einer Temperaturspreizung zwischen dem Kühlmittel im HVS-Kreis 12 und der Zelltemperatur des Hochvoltspeichers 16 ergibt. Bevor im Klima-Heizbetrieb zusätzlich der Zuheizbetrieb aktiviert wird, wird vorliegend zunächst die genannte Restwärme mittels der Wärmpumpe 20, 36 in den Heizkreis 14 übertragen.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Wärmesystem
    4
    Steuerungssystem
    6
    Gesamtkühlkreis
    8
    Kältekreis
    10
    Kühlkreis
    12
    HVS-Kreis
    12'
    erweiterter HVS-Kreis
    14
    Heizkreis
    15
    Teilabschnitt
    16
    Hochvoltspeicher
    18
    HVS-Heizquelle
    20
    Chiller
    24
    Komponente
    26
    erster Umgebungskühler
    28
    zweiter Umgebungskühler
    32
    Heizungswärmetauscher
    34
    Innenraum
    36
    Kondensator
    40
    Zuheizer
    42
    Heizkreis-Vorlauf
    44
    Heizkreis-Rücklauf
    52
    Ausgleichsvolumen
    54
    Temperatursensor
    56
    Klima-Verdampfer
    58
    Expansionsventil (des Klima-Verdampfers)
    60
    Expansionsventil (des Chillers)
    62
    Verdichter
    64
    innerer Wärmetauscher
    66
    Absperrventil
    68
    3/2-Wegeventil
    70
    3/2-Wegeventil
    72
    3/2-Wegeventil
    BR
    Begrenzungsregler
    Ö
    Öffnung
    K1
    Kennfeld
    R1
    Verdichterregler
    R2
    Ventilregler
    R3
    Heizregler
    T-G
    Grenztemperatur
    T-HK-I
    Ist-Heizkreistemperatur
    T-HK-S
    Soll-Heizkreistemperatur
    T-KM-I
    Kühlmittel-Isttemperatur
    T-KM-S
    Kühlmittel-Solltemperatur
    VD
    Verdichterdrehzahl
    Ü-I
    Ist-Überhitzung
    Ü-S
    Soll-Überhitzung
  • 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 102015220623 A1 [0003, 0011]

Claims (15)

  1. Steuerungssystem (4) für ein Wärmesystem (2) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, welches derart ausgebildet ist, - dass bei einer Heizanforderung für einen Hochvoltspeicher (16) ein HVS-Heizbetrieb aktiviert wird, in welchem der Hochvoltspeicher (16), welcher an einen HVS-Kreis (12) des Wärmesystems (2) angeschlossen ist, mittels einer HVS-Heizquelle (18) beheizt wird, welche hierzu aktiviert wird, sodass Wärme im HVS-Kreis (12) erzeugt oder in diesen übertragen wird, - dass bei einer Heizanforderung für einen Innenraum (34) des Fahrzeugs ein Klima-Heizbetrieb aktiviert wird, in welchem der Innenraum (34) mittels eines Heizkreises (14) mit Wärme beheizt wird, welche mit einem Zuheizer (40) im Heizkreis (14) erzeugt wird oder mit einer Wärmepumpe (20, 36) in den Heizkreis (14) übertragen wird oder beides, - dass bei aktiviertem Klima-Heizbetrieb festgestellt wird, ob ein Heizdefizit vorliegt, welches angibt, ob die Heizanforderung vollständig mit dem Zuheizer (40) oder mit der Wärmepumpe (20, 36) oder beidem bedienbar ist oder nicht, - dass, falls ein Heizdefizit vorliegt, ein Zuheizbetrieb aktiviert wird, in welchem mittels der Wärmepumpe (20, 36) Wärme der HVS-Heizquelle (18) aus dem HVS-Kreis (12) in den Heizkreis (14) übertragen wird, um das Heizdefizit auszugleichen.
  2. Steuerungssystem (4) nach Anspruch 1, welches derart ausgebildet ist, dass festgestellt wird, dass ein Heizdefizit vorliegt, wenn eine Differenz aus einer Heizkreis-Isttemperatur (T-HK-I) im Heizkreis (14) und einer Heizkreis-Solltemperatur (T-HK-S) eine maximale Differenz überschreitet.
  3. Steuerungssystem (4) nach Anspruch 1, welches derart ausgebildet ist, dass festgestellt wird, dass ein Heizdefizit vorliegt, wenn eine Differenz aus einer Soll-Heizleistung und einem Heizleistungspotential eine maximale Differenz überschreitet, wobei die Soll-Heizleistung anhand der Heizanforderung bestimmt wird und das Heizleistungspotential anhand jeweils einer maximalen Heizleistung des Zuheizers (40) und der Wärmepumpe (20, 36).
  4. Steuerungssystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches derart ausgebildet ist, dass der Zuheizbetrieb verzögert aktiviert wird, indem beim Vorliegen eines Heizdefizits noch eine Wartezeit abgewartet wird, bevor der Zuheizbetrieb aktiviert wird.
  5. Steuerungssystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches derart ausgebildet ist, dass die Leistung eines Kältekreises (8) des Wärmesystems (2) mit einem Verdichterregler (R1) geregelt wird, welcher als Stellgröße eine Verdichterdrehzahl (VD) eines Verdichters (62) im Kältekreis (8) verwendet und welchem als Regelgröße eine Heizkreis-Isttemperatur (T-HK-I) des Kühlmittels im Heizkreis (14) zugeführt wird und als Führungsgröße eine Heizkreis-Solltemperatur (T-HK-S), dass der Verdichterregler (R1) unabhängig davon verwendet wird, ob im Klima-Heizbetrieb der Zuheizbetrieb aktiviert ist oder nicht.
  6. Steuerungssystem (4) nach Anspruch 5, welches derart ausgebildet ist, dass der Verdichterregler (R1) im Zuheizbetrieb begrenzt wird, indem die Verdichterdrehzahl (VD) des Verdichters (62) abhängig von einer Kühlmittel-Isttemperatur (T-KM-I) im HVS-Kreis (12) stromab des Chillers (20) begrenzt wird, sodass die Kälteleistung des Chillers (20) begrenzt wird.
  7. Steuerungssystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches derart ausgebildet ist, dass das Expansionsventil (60) mit einem Ventilregler (R2) geregelt wird, welcher als Stellgröße eine Öffnung (Ö) eines Expansionsventils (60) stromauf eines Chillers (20) der Wärmepumpe (20, 36) in einem Kältekreis (8) des Wärmesystems (2) verwendet und welchem als Regelgröße eine Ist-Überhitzung (Ü-I) im Kältekreis (8) zugeführt wird und als Führungsgröße eine Soll-Überhitzung (Ü-S), dass der Ventilregler (R2) unabhängig davon verwendet wird, ob im Klima-Heizbetrieb der Zuheizbetrieb aktiviert ist oder nicht.
  8. Steuerungssystem (4) nach Anspruch 7, welches derart ausgebildet ist, dass die Kälteleistung des Chillers (20) im Zuheizbetrieb begrenzt wird, indem die Soll-Überhitzung (Ü-S) abhängig von einer Kühlmittel-Isttemperatur (T-KM-I) im HVS-Kreis (12) stromab des Chillers (20) einem Kennfeld (K1) entnommen wird.
  9. Steuerungssystem (4) nach Anspruch 7, welches derart ausgebildet ist, dass die Kälteleistung des Chillers (20) im Zuheizbetrieb begrenzt wird, indem mit steigender Kühlmittel-Isttemperatur (T-KM-I) im HVS-Kreis (12) stromab des Chillers (20) die Öffnung (Ö) des Expansionsventils (60) verringert wird.
  10. Steuerungssystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welches derart ausgebildet ist, dass bei gleichzeitig aktiviertem Zuheizbetrieb und HVS-Heizbetrieb die Wärmepumpe (20, 36) derart angesteuert wird, dass deren Wirkungsgrad derart eingestellt wird, dass die Wärmeentnahme aus dem HVS-Kreis (12) begrenzt ist und das Heizdefizit dennoch ausglichen wird.
  11. Steuerungssystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welches derart ausgebildet ist, dass die HVS-Heizquelle (18) aktiviert wird, wenn der Zuheizbetrieb oder der HVS-Heizbetrieb oder beide aktiv sind, und mit einem Heizregler (R3) geregelt wird, welchem als Stellgröße eine Heizleistung der HVS-Heizquelle (18) zugeführt wird und welchem als Regelgröße eine Kühlmittel-Isttemperatur (T-KM-I) im HVS-Kreis (12) stromauf des Hochvoltspeichers (16) zugeführt wird und als Führungsgröße eine Kühlmittel-Solltemperatur (T-KM-S).
  12. Steuerungssystem (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, welches derart ausgebildet ist, dass im Klima-Heizbetrieb und bei inaktivem Zuheizbetrieb zur Innenraumbeheizung die Wärmepumpe (20, 36) aktiviert wird und eine Restwärme aus dem Kühlmittel im HVS-Kreis (12) entnimmt, wobei die Restwärme sich als ein Wärmeüberschuss im HVS-Kreis (12) daraus ergibt, dass die Kühlmittel-Isttemperatur (T-KM-I) stromauf des Hochvoltspeichers (16) größer ist als eine Zelltemperatur des Hochvoltspeichers (16).
  13. Steuerungssystem, (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die HVS-Heizquelle (18) ein HVS-Zuheizer ist, insbesondere ein elektrischer Durchlauferhitzer, welcher stromab der Wärmepumpe (20, 36) an den HVS-Kreis (12) angeschlossen ist.
  14. Steuerungssystem, (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die HVS-Heizquelle (18) eine vertrimmte E-Maschine des Fahrzeugs ist.
  15. Verfahren zum Betrieb eines Wärmesystems (2) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mittels eines Steuerungssystem (4), welches - bei einer Heizanforderung für einen Hochvoltspeicher (16) einen HVS-Heizbetrieb aktiviert, in welchem der Hochvoltspeicher (16), welcher an einen HVS-Kreis (12) des Wärmesystems (2) angeschlossen ist, mittels einer HVS-Heizquelle (18) beheizt wird, welche hierzu aktiviert wird, sodass Wärme im HVS-Kreis (12) erzeugt oder in diesen übertragen wird, - bei einer Heizanforderung für einen Innenraum (34) des Fahrzeugs einen Klima-Heizbetrieb aktiviert, in welchem der Innenraum (34) mittels eines Heizkreises (14) mit Wärme beheizt wird, welche mit einem Zuheizer (40) im Heizkreis (14) erzeugt wird oder mit einer Wärmepumpe (20, 36) in den Heizkreis (14) übertragen wird oder beides, - bei aktiviertem Klima-Heizbetrieb feststellt, ob ein Heizdefizit vorliegt, welches angibt, ob die Heizanforderung vollständig mit dem Zuheizer (40) oder mit der Wärmepumpe (20, 36) oder beidem bedienbar ist oder nicht, - falls ein Heizdefizit vorliegt, einen Zuheizbetrieb aktiviert, in welchem mittels der Wärmepumpe (20, 36) Wärme der HVS-Heizquelle (18) aus dem HVS-Kreis (12) in den Heizkreis (14) übertragen wird, um das Heizdefizit auszugleichen.
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