DE102019201428A1 - Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf (10) aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs im Kältebetrieb mit einem Chiller-Zweig (1.0), welcher einen Chiller (1), ein erstes Expansionsorgan (AE1) aufweist und mit einem Kühlmittelkreislauf (1.1) thermisch gekoppelt ist, wenigstens einem Innenraum-Verdampferzweig (2.0), welcher einen Innenraum-Verdampfer (2) und ein zweites Expansionsorgan (AE2) aufweist und dem Chiller-Zweig (1.0) parallel geschaltet ist, einem Kältemittelverdichter (3), und einem Kondensator oder Gaskühler (4), wobei der Innenraum-Verdampfer (2) und der Chiller (1) mittels einer Regelung des ersten und zweiten Expansionsorgans (AE1, AE2) gleichzeitig betrieben werden und der Überhitzungsgrad des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers (1) durch Steuern des Öffnungsgrades des ersten Expansionsorgans (AE1) auf einen minimalen Sollwert eines Zielüberhitzungsgrades geregelt wird und der Innenraum-Verdampfer (2) derart betrieben wird, dass dieser eine Führungsgröße für den einzustellenden Niederdruck des Kältemittelkreislaufs (10) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs im Kälteanlagenbetrieb
  • Der Einsatz von Kältemittelkreisläufen in Fahrzeugklimaanlagen ist bekannt, wobei manche Varianten eine 2-Verdampferanlage vorsehen, nämlich einen Frontverdampfer und einen Heckverdampfer. Je nach Verschaltung und aktivem Betrieb der jeweiligen Wärmeübertragung variiert der Bedarf an benötigtem aktivem Kältemittel im Kältemittelkreislauf.
  • Elektrifizierte Fahrzeuge benötigen neben dem Frontverdampfer als mindestens einen Innenraum-Verdampfer eine separate Kühlvorrichtung zur Konditionierung und Temperierung des in der Regel als Hochvoltbatterie realisierten Energiespeichers. Eine solche Kühlvorrichtung kann mittels des Kältemittelkreislaufs realisiert werden und wird als aktive Batteriekühlung bezeichnet. Eine solche Kühlvorrichtung wird als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager realisiert, der als Verdampfer (durch Kühlen eines Luftstromes) bzw. als Chiller (durch Kühlen eines Kühlmittelstroms) arbeitet.
  • Auch der Einsatz des Kältemittelkreislaufs der Fahrzeugkälteanlage in einem Wärmepumpenbetrieb zum Aufheizen der Fahrgastzelle ist bekannt. In seiner Funktion als Wärmepumpe ist der Kältemittelkreislauf in der Lage, einen Luft- oder auch Wasserstrom bzw. Kühlmittelstrom zu erwärmen und diese Wärme direkt bzw. indirekt an die Luft der Fahrgastzelle abzugeben. Je nach Betriebsweise der Fahrzeugkälteanlage, ob also geheizt bzw. gekühlt wird oder welche Anzahl von Wärmeübertrager aktiv betrieben werden, variiert auch in diesem Fall die zur optimalen Betriebsweise benötigte Menge an tatsächlich benötigtem Kältemittel im Kältemittelkreislauf.
  • Aus der DE 10 2016 201 835 A1 ist eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf bekannt, welcher neben einem Luft-Kältemittel-Wärme-übertrager als Kondensator zwei Verdampfer, nämlich einen Chiller mit zugeordnetem Expansionsorgan und einen Innenraum-Verdampfer mit zugeordnetem Expansionsorgan umfasst. Ferner weist dieser Kältemittelkreislauf zwei Kältemittelverdichter auf, die hochdruckseitig auf den Kondensator zusammengeführt sind und saugseitig über ein Netzwerk von Ventilorganen mit beiden Verdampfern auf unterschiedliche Weise fluidverbindbar sind. So können die Kältemittelströme der beiden Verdampfern auf die beiden gleichzeitig betriebenen Kältemittelverdichter verteilt oder ein Kältemittelstrom eines Verdampfers jeweils einem Kältemittelverdichter zugeführt werden. Auch ist es möglich, dass für die beiden Verdampfer nur einer der beiden Kältemittelverdichter betrieben wird. Dieses Netzwerk von Ventilorganen besteht aus Absperrventilen und mehreren Expansionsorganen.
  • In einem Betriebsmodus dieser bekannten Kälteanlage werden beide Verdampfer auf demselben Druckniveau betrieben, welches durch die beiden Expansionsorgane eingestellt wird. Die Verdichtung des Kältemittels erfolgt gleichzeitig über beide Kältemittelverdichter, die mit gleichem Saugdruck betrieben werden. In diesem Betriebsmodus ist der Innenraum-Verdampfer über ein Absperrventil mit dem ersten Kältemittelverdichter und über ein weiteres Expansionsorgan mit dem zweiten Kältemittelverdichter verbindbar. Der Chiller ist einerseits direkt mit dem ersten Kältemittelverdichter und über ein weiteres Expansionsorgan mit dem zweiten Kältemittelverdichter verbunden. In diesem Betriebsmodus wird das dem Innenraum-Verdampfer nachgeschaltete Expansionsorgan entweder geöffnet oder geregelt betrieben, so dass der Chiller mit einer geringen Kühlleistung oder mit einer hohen Kühlleistung betrieben werden kann.
  • Ein Wärmemanagementsystem gemäß der DE 10 2011 016 613 A1 besteht aus einem Niedertemperaturkreislauf, einem Hochtemperaturkreislauf, einem Kältemittelkreislauf und einem Batteriekühlkreislauf, wobei der Kältemittelkreislauf einen Kältemittelverdichter, einen Kondensator einen Verdampfer mit zugehörigem Expansionsorgan und einen Chiller mit zugehörigem Expansionsorgan aufweist. Mit einem solchen Wärmemanagement soll eine komfortabel Heizfunktion mit möglichst geringem Energieaufwand und Kraftstoffverbrauch ermöglicht werden.
  • Eine Kühlanordnung für einen Ladeluftkühler einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ist aus der DE 10 2015 016 394 A1 bekannt. Diese Kühlanordnung umfasst einen Niedertemperatur-Kühlkreis mit einem Niedertemperatur-Kühler und dem Ladeluftkühler, einen Kältemittelkreislauf mit einem Kondensator, einem Verdampfer mit zugeordnetem Expansionsventil sowie einem weiteren Verdampfer als Chiller mit zugeordnetem Expansionsventil. Dieser weitere Verdampfer ist mit dem Niedertemperaturkühler-Kühlkreis thermisch gekoppelt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs im Kältebetrieb anzugeben, so dass bei gleichzeitigem Betrieb eines Innenraum-Verdampfers und eines Chillers eine maximale Chillerkälteleistung ermöglicht wird, d. h. am Chiller eine maximal mögliche Leistung für das Kühlmedium bereitgestellt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Ein solches Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs im Kältebetrieb mit
    • - einem Chiller-Zweig, welcher einen Chiller und eine erstes Expansionsorgan aufweist und mit einem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt ist,
    • - wenigstens einem Innenraum-Verdampferzweig, welcher einen Innenraum-Verdampfer und ein zweites Expansionsorgan aufweist und dem Chiller-Zweig parallel geschaltet ist,
    • - einem Kältemittelverdichter, und
    • - einem Kondensator oder Gaskühler, zeichnet sich dadurch aus, dass
    • - der Innenraum-Verdampfer und der Chiller mittels einer Regelung des ersten und zweiten Expansionsorgans gleichzeitig betrieben werden,
    • - der Überhitzungsgrad des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers durch Steuern des Öffnungsgrades des ersten Expansionsorgans auf einen minimalen Sollwert eines Zielüberhitzungsgrades geregelt wird, und
    • - mittels des Innenraum-Verdampfers das Niveau des Niederdrucks des Kältemittelkreislaufs vorgegeben wird.
  • Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Chiller mit einer geringen Überhitzung entsprechend des minimalen Sollwertes eines Zielüberhitzungsgrades, von bspw. zwischen 3 und 7 K betrieben. Dieser Wert für den Betrag der Überhitzung wird in dieser Größenordnung angegeben, weil nur auf diese Weise sichergestellt ist, dass die zulässige Minimalüberhitzung korrekt erfasst wird. Ausschlaggebend hierfür ist die Toleranz der Sensorik zur Erfassung von Druck und Temperatur am Austritt der Chillers. Die geforderte Minimalüberhitzung ist bei einem jeweils im Kältemittelkreislauf mittels des Kältemittelverdichters eingestellten Niederdruck der Wert der Überhitzung, für den die maximale Kälteleistung von dem Chiller kontrollierbar bereitgestellt werden kann.
  • In der erfindungsgemäßen Betriebsart des Kältemittelkreislaufs, bei welchem das Kältemittel im Chiller auf wenigstens einen minimalen Sollwert eines Zielüberhitzungsgrades geregelt wird, wird der Innenraum-Verdampfer mittels der verdichterseitigen Einstellung eines kältemittelseitigen Verdampfungsdruckniveaus, welches mit einer Verdampfungstemperatur korrespondiert, auf einen Sollwert der Ausblastemperatur des in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstromes eingeregelt, während parallel dazu über das dem Verdampfer vorgeschaltete Expansionsorgan eine Unterkühlungsregelung oder eine Regelung auf einen optimalen Hochdruck im Kältemittelkreislauf bei einem gleichzeitig vorhandenen niederdruckseitigen Kältemittelspeicher die Systemeffizienz maximiert wird. Bei einem Kältemittelkreislauf mit einem hochdruckseitigen Kältemittelspeicher werden alle aktiven Innenraum-Verdampfer und komponentenkühlenden Verdampfer, wie bspw. der Chiller auf Überhitzung geregelt, die ihrerseits über das dem jeweiligen Verdampfer vorgeschaltete Expansionsorgan variabel umsetzbar ist.
  • Eine weitere Erhöhung der von dem Chiller erzeugten Kälteleistung wird weiterbildungsgemäß dadurch erreicht, dass die Soll-Ausblastemperatur am Innenraum-Verdampfer auf einen vorgegebenen Temperaturabsenkwert bis hin auf einen minimal zulässigen Temperaturabsenkwert abgesenkt wird. Ein solcher Temperaturabsenkwert der Soll-Ausblastemperatur kann bspw. 2 ° C betragen, da bei dieser Temperatur eine luftseitige Verdampfervereisung in der Regel noch sicher vermeidbar ist. Damit wird gleichzeitig am Chiller das Verdampfungsdruckniveau gesenkt und das treibende Temperaturgefälle zwischen Kältemittel und Kühlmittel erhöht, so dass sich dessen Kälteleistung erhöht. Der minimal zulässige Temperaturabsenkwert ist derjenige Temperaturwert, bei welchem am Innenraum-Verdampfer gerade noch sichergestellt werden kann, dass luftseitig keine Vereisung auftritt, also das auftretende Kondensat nicht im Netz des Verdampfers eine Eisschicht entstehen lässt. Um ein solches Ereignis sicher auszuschließen, werden in der Regel die minimal zulässigen luftseitigen Austrittstemperaturen zwischen 1 bis 3°C eingestellt, entsprechend resultieren die diese Werte erlaubenden kältemittelseitigen Verdampfungsdrücke und damit Verdampfungstemperaturen.
  • In diesem Fall könnte es erforderlich werden, dass der Zuluftstrom in die Fahrzeugkabine nach einer Abkühlung bzw. Entfeuchtung nachzuheizen ist, bspw. mit einer elektrischen Hochvoltheizung. Falls der Kältemittelkreislauf mit einer Wärmepumpenfunktion ausgestattet ist, kann der Heizbedarf in einem Reheat-Betrieb über die Kälteanlage gedeckt werden. Vorzugsweise wird dieser vorgegebene Temperaturabsenkwert in Abhängigkeit von einer von dem Chiller bereitzustellenden Kühlleistung bestimmt, die seitens des Kühlmediums bspw. für einen Hochvoltspeicher erforderlich ist und damit die Anforderung eines Klimasteuergerätes, das für die luftseitige Austrittstemperatur am Innenraum-Verdampfer verantwortlich ist, überstimmt und hin zu kälteren Temperaturen verändert, was letztlich mit einer Absenkung des Niederdruckes und der mit diesem korrespondieren Verdampfungstemperatur des Kältemittels gleichzusetzen ist.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zuluftmenge des in die Fahrzeugkabine strömenden und konditionierten Zuluftstromes auf einen vorgegebenen (bis hin zu einem minimalen) Zuluftmengenwert abgesenkt wird. Mit einer solchen Reduzierung der Zuluftmenge wird der Kältebedarf am Innenraum-Verdampfer reduziert, wodurch gleichzeitig eine Erhöhung der Kälteleistung des Chillers realisiert wird. Vorzugsweise wird der vorgegebene Zuluftmengenwert in Abhängigkeit von der Dringlichkeit des Bedarfs des Bauteilschutzes, beispielsweise im Falle der Hochvoltkomponente, dass unter den aktuellen Betriebsbedingungen der Kälteanlage die seitens des Kühlmediums erforderliche Kälteleistung nicht bereitgestellt werden kann, bestimmt und aktiviert. Dabei wird die Luftmenge in einem Maß reduziert und ggf. auch die Nachheizung des Luftstroms herabgesetzt, so dass den Passagieren für eine zeitlich begrenzte Zeitdauer noch ein verträgliches Minimum an Komfort bereitgestellt werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Erhöhung der Kälteleistung des Chillers besteht darin, in Abhängigkeit der Enthalpiewerte der beteiligten und den Innenraum-Verdampfer beaufschlagenden Luftströme den Zuluftstrom in die Fahrzeugkabine zumindest teilweise durch erhöhte Umluft- oder Frischluftanteile zu ersetzen, je nachdem wie die aktuellen Zuluftklappenstellungen des Klimagerätes ausgerichtet sind und sich der Energieinhalt der jeweiligen Luftströme darstellt.
  • So schlägt eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Zuluftstrom anteilig verstärkt durch Frischluft. oder vollständig durch Frischluft ersetzt wird, wenn die Enthalpie der Frischluft kleiner als die Enthalpie der Umluft ist. Wenn die Enthalpie der Frischluft kleiner als die Enthalpie der Umluft ist, bedeutet dies, dass die Umluft in der Fahrzeugkabine wärmer und feuchter als die Luft der Fahrzeugumgebung ist und somit die aufzubringende Kälteleistung zur Konditionierung des in die Kabine strömenden Zuluftstroms reduziert wird, wenn der den Innenraum-Verdampfer beaufschlagende Zuluftstromeinen höheren Anteil an Frischluft aufweist oder vollständig durch Frischluft ersetzt wird.
  • Umgekehrt, wenn die Enthalpie der Frischluft größer als die Enthalpie der Umluft ist, werden dem Zuluftstrom verstärkt Anteile von Umluft beigemischt. Wenn die Enthalpie der Frischluft größer als die Enthalpie der Umluft ist, bedeutet dies, dass die Umluft der Fahrzeugkabine kälter und trockener als die Luft der Fahrzeugumgebung ist und daher bei Zuführung von Frischluft zu deren Abkühlung auf das Niveau der Fahrzeugkabine mehr Kälteleistung bereitgestellt werden müsste, um den in die Kabinen strömenden Zuluftstrom entsprechend zu konditionieren. Daher wird in diesem Fall lediglich ein geringer Anteil von Frischluft beigefügt, so dass entsprechend den MAK-Richtlinien die erforderlichen CO2-Konzentrationen eingehalten werden. Vorzugsweise wird der Zuluft nur 5 bis 10 % an Frischluft zugemischt.
  • Dieses Beimischen von Frischluft erfolgt permanent oder kann durch kurzfristige Beimischphasen, den sogenannten Frischluftspülungen, realisiert werden. Idealerweise weist der Fahrzeuginnenraum darüber hinaus einen CO2-Sensor auf, der seinerseits die Zeitpunkte eines gegeben Spülbedarfs signalisiert. So können die Frischluftanteile gezielt dem Zuluftstrom beigemischt werden und das solange, bis die CO2-Konzentration dauerhaft abgesenkt ist. Im Anschluss erfolgt die Rückkehr zum Umluftbetrieb.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 eine Schaltungsanordnung eines Kältemittelkreislaufs zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines niederdruckseitig angeordneten Kältemittelsammlers,
    • 2 eine zur Schaltungsanordnung nach 1 alternative Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines hochdruckseitig angeordneten Kältemittelsammlers, und
    • 3 eine weitere zur Schaltungsanordnung nach 1 alternative Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestattet mit einem dritten Expansionsorgan.
  • Die 1 bis 3 zeigen der Einfachheit halber jeweils einen für den reinen AC-Betrieb (Kälteanlagenbetrieb) vorgesehenen Kältemittelkreislauf 10 einer Kälteanlage eines Fahrzeugs. Auf die funktionale Erweiterung hinsichtlich eines Wärmepumpenbetriebs wurde verzichtet, da der Grundgedanke zur Beschreibung des Verfahrens bereits mit dem einfachen Verschaltungskonzept vollumfänglich darstellbar ist. Diese Kältemittelkreisläufe 10 sind in einer identischen Grundstruktur aufgebaut und unterscheiden sich jeweils in der Anordnung eines Kältemittelsammlers als Niederdruck- oder Hochdruck-Kältem ittelsamm ler.
  • Der Kältemittelkreislauf 10 gemäß den 1 bis 3 besteht aus folgenden Komponenten:
    • - einem Kältemittelverdichter 3,
    • - einem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4, welcher mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 3 fluidverbunden ist,
    • - einem Chiller-Zweig 1.0 mit einem zur Kühlung einer elektrischen Komponente (bspw. eine Hochvoltbatterie, eine elektrische Antriebskomponente usw.) des Fahrzeugs vorgesehenen Chiller 1, einem dem Chiller 1 vorgeschalteten und als elektrisches Expansionsventil ausgebildeten ersten Expansionsorgan AE1 und einem dem Chiller 1 nachgeschalteten ersten Druck-Temperatursensor pT1, wobei der Chiller 1 mit einem Kühlmittelkreislauf 1.1 zur Kühlung der elektrischen Komponente thermisch gekoppelt ist,
    • - einem Innenraum-Verdampferzweig 2.0 mit einem Innenraum-Verdampfer 2 und einem demselben vorgeschalteten und mit einer Absperrfunktion ausgeführten zweiten Expansionsorgan AE2 wobei der Innenraum-Verdampferzweig 2.0 dem Chiller-Zweig 1.0 parallel geschaltet ist,
    • - einem Kältemittelsammler 6.1 bzw. 6.2, der gemäß den 1 und 3 als Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 mit einem nachgeschalteten zweiten Druck-Temperatursensor pT2 dem Chiller-Zweig 1.0 und dem Innenraum-Verdampferzweig 2.0 stromabwärts nachgeschaltet ist und der gemäß 2 als Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 dem äußeren Kondensator 4 oder Gaskühler 4 stromabwärts nachgeschaltet ist,
    • - einem inneren Wärmeübertrager 5, dessen Hochdruckseite den Kondensator 4 oder Gaskühler 4 mit dem Chiller-Zweig 1.0 und dem Innenraum-Verdampferzweig 2.0 fluidverbindet, während dessen niederdruckseitiger Abschnitt gemäß den 1 und 3 zwischen dem Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 und dem Kältemittelverdichter 3 in den Kältemittelkreislauf 10 und gemäß 2 zwischen dem Chiller-Zweig 1.0 und dem Kältemittelverdichter 3 eingebunden ist,
    • - einem dem Kondensator 4 oder Gaskühler 4 nachgeschalteten dritten Druck-Temperatursensor pT3,
    • - einem dem Kältemittelverdichter 3 nachgeschalteten vierten Druck-Temperatursensor pT4,
    • - einem gemäß den 2 und 3 dem Innenraum-Verdampfer 2 stromabwärts nachgeschalteten fünften Druck-Temperatursensor pT5, und
    • - einem gemäß 2 der Parallelschaltung des Chiller-Zweiges 1.0 und des Innenraumverdampfers 2.0 stromabwärts optional in Abhängigkeit der Betriebsstrategie nachgeschalteten sechsten Druck-Temperatursensor pT6.
  • Ist der Hochdruck-Kältesammler 6.2 in den Kondensator 4 oder Gaskühler 4 integriert ist, so ist der dritte Druck-Temperatursensor pT3 stromabwärts des Kondensators 4 oder Gaskühlers 4 vorzusehen. Da es sich bei solchen Anlagen jedoch in der Regel um Systeme handelt, die ausschließlich für den unterkritischen Anlagenbetrieb vorgesehen sind, kann der dritte Druck-Temperatursensor pT3 entfallen.
  • Schließlich ist für den Kältemittelkreislauf 10 gemäß den 1 bis 3 ein Klimasteuergerät als Steuereinheit vorgesehen (in den Figuren nicht dargestellt), welchem zu verarbeitende Eingangssignale, wie bspw. Istwerte von Druck-Temperatursensoren zugeführt werden, um hieraus Steuersignale bzw. Sollwerte als Ausgangssignale zur Steuerung der einzelnen Komponenten des Kältemittelkreislaufs 10 zu erzeugen.
  • Der Innenraum-Verdampferzweig 2.0 weist gemäß den 1 und 2 ein Rückschlagventil 7 auf. An dieser Position kann alternativ ein absperrbares drittes Expansionsorgan angeordnet werden.
  • Bei einem parallelen Betrieb sowohl des Innenraum-Verdampfers 2 als auch des Chillers 1, also in einem Mehrverdampferbetrieb wird der Innenraum-Verdampfer 2 zur Führungsgröße des Kälteprozesses und gibt das Niveau des Niederdrucks und damit die geforderte Verdampfungstemperatur vor. Bei einem Kältemittelkreislauf 10 gemäß 1 bedeutet dies, dass mittels des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 ein bestimmter konstanter Dampfgehalt am Ausgang des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 und damit auch am Kältemittelaustritt des Innenraum-Verdampfers 2 eingestellt wird. Mittels des ersten Expansionsorgans AE1 wird für eine maximale Kälteleistung am Kältemittelausgang des Chillers 1 eine Mindestüberhitzung eingestellt
  • Hierzu wird im Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 nach 1 und 3 laufend der Istwert des Überhitzungsgrades des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1 aus den Messwerten des Druck-Temperatursensors pT1 mittels einer Regelvorrichtung 8 (in 1 nicht dargestellt) bestimmt und wenigstens auf einen minimalen Sollwert eines Zielüberhitzungsgrades- oder einen minimal zulässigen Überhitzungsgrades geregelt. Hierzu wird der Chiller 1 durch entsprechende Steuerung des Öffnungsgrades des zugehörigen Expansionsorgans AE1 mindestens mit der minimalen Überhitzung bzw. Mindestüberhitzung entsprechend des minimalen Sollwertes des Zielüberhitzungsgrades betrieben. Mit dieser Einstellung kann bei einem jeweils im Kältemittelkreislauf 1 herrschenden Niederdruck, welcher durch den Innenraum-Verdampfer 2 als Führungsgröße bestimmt und vorgegeben wird, die jeweils maximale Kälteleistung am Chiller 1 eingestellt und erzielt werden.
  • Bei einer Regelung des Kältemittels und damit des Innenraum-Verdampfers 2 bis hin auf dessen minimalen zulässigen Sollwert einer Lufttemperatur und damit korrespondierend eines zulässigen minimalen Verdampfungsdruckes, unter Berücksichtigung einer luftseitigen Vereisungsgefahr am Verdampfer 2, wird gleichzeitig durch den Betrieb des Chiller 1 bei parallel eingestellter Mindestüberhitzung, eine maximale Kälteleistung am Chiller 2 erzeugt.
  • Eine Regelung der Kälteleistung am Chiller 1 erfolgt damit indirekt durch eine Regelung der Überhitzung am Kältemittelausgang des Chillers 1, indem mittels des ersten Expansionsorgans AE1 ein den Chiller 1 durchströmender Kältemittelmassenstrom eingestellt wird, um damit eine definierte Abkühlung der Wassertemperatur des Kühlmittelkreislaufs 1.1 zu erzielen, wobei durch das erste Expansionsorgan AE1 primär die Sollabkühlung des den Chiller 1 durchströmenden Kühlmediums eingestellt wird, überlagert mit einer Überwachung einer Überhitzung, die bei einem vorgegebenem Niederdruck bis auf ein Minimum von bspw. 3K reduziert werden kann.
  • Bei dem Kältemittelkreislauf 10 gemäß 2 mit dem Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 wird im gemeinsamen Betrieb des Innenraum-Verdampfers 2 und des Chillers 1 die Überhitzung des Kältemittels an deren Ausgängen geregelt. Eine maximale Kälteleistung am Chiller 1 erfolgt dadurch, dass laufend der Istwert des Überhitzungsgrades des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1 aus den Messwerten des Druck-Temperatursensors pT1 mittels einer Regelvorrichtung 8 (in 2 nicht dargestellt) bestimmt und wenigstens auf einen minimalen Sollwert eines Zielüberhitzungsgrades bzw. eines zulässigen Überhitzungsgrades geregelt wird. Hierzu wird der Chiller 1 durch entsprechende Steuerung des Öffnungsgrades des zugehörigen Expansionsorgans AE1 mindestens mit der minimalen Überhitzung bzw. Mindestüberhitzung entsprechend des minimalen Sollwertes des Zielüberhitzungsgrades betrieben.
  • Idealerweise erfolgt auch hier für die Erzielung der maximalen Chillerleistung bei einem jeweils eingestellten Niederdruck bei einem Kältemittelaustritt am Chiller 1 auf der Taulinie, die jedoch unzureichend einstellbar ist. Aufgrund der angesprochenen Sensormessungenauigkeiten wird eine Mindestüberhitzung von beispielsweise 3K ausgegeben.
  • Auch bei diesem Kältemittelkreislauf gemäß 2 mit einem Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 erfolgt eine Regelung der Kälteleistung am Chiller 1 primär über das erste Expansionsorgan AE1, mit welchem die geforderte Abkühlung des Kühlmediums am Austritt des Chillers 2 eingestellt wird, gekoppelt mit einer Überwachung der Überhitzung am Kältemittelausgang des Chillers 1, wobei die Überhitzung gemäß Vorgabe eine Mindestüberhitzung von beispielsweise 3K nicht unterschreitet und mittels des ersten Expansionsorgans AE1 ein den Chiller 1 durchströmende Kältemittelmassenstrom eingestellt wird, um damit eine definierte Abkühlung der Wassertemperatur des Kühlmittelkreislaufs 1.1 zu erzielen.
  • Die Regelung der Überhitzung am Kältemittelausgang des Innenraum-Verdampfers 2 erfolgt in gleicher Weise auf der Basis der Werte des fünften Druck-Temperatursensors pT5.
  • Im Folgenden werden weitere Maßnahmen beschrieben, mit welchen die verfügbare Kälteleistung am Chiller 1 des Kältemittelkreislaufs 10 der 1 bis 3 stets maximal gehalten werden können, wobei gleichzeitig - wie oben beschrieben - die Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelausgang des Chillers 1 auf den minimalen Sollwert des Zielüberhitzungsgrades bzw. des zulässigen Überhitzungsgrades geregelt wird, um auf diese Weise, bei einem jeweils eingestellten Niederdruck, erhöhte Abwärmemengen aus dem Kühlmittelkreislauf 1.1 abführen zu können.
  • So wird eine weitere Erhöhung der von dem Chiller erzeugten Kälteleistung dadurch erreicht, dass die Soll-Ausblastemperatur am Innenraum-Verdampfer auf einen vorgegebenen Temperaturabsenkwert abgesenkt wird. Dies entspricht einer Absenkung der Verdampfungstemperatur im Innenraum-Verdampfer 1. Ein solcher Temperaturabsenkwert der Soll-Ausblastemperatur kann bspw. ein Sprung von 6°C auf 3° C bedeuten. Damit kann durch den am Innenraum-Verdampfer 2 abgesenkten Niederdruck gleichzeitig das Niederdruckniveau am Chiller 1 reduziert und damit das treibende Temperaturgefälle zwischen Kältemittel und Kühlmittel angehoben und somit die Kühlleistung am Chiller 1 gesteigert werden, sodass sich dessen Kälteleistung, bei gleichzeitig erhöhter Kälteleistung am Innenraum-Verdampfer 2 für den Fall bei gleichbleibender Luftmenge weiter steigern lässt.
  • In diesem Fall könnte es erforderlich werden, dass der Zuluftstrom in die Fahrzeugkabine nach einer Abkühlung bzw. Entfeuchtung verstärkt nachzuheizen ist, bspw. mit einer elektrischen Hochvoltheizung. Falls der Kältemittelkreislauf 10 mit einer Wärmepumpenfunktion ausgestattet ist, kann der Heizbedarf in einem Reheat-Betrieb über die Kälteanlage gedeckt werden. Dieser vorgegebene Temperaturabsenkwert wird in Abhängigkeit vom Kühlbedarf des Kühlmediums bestimmt. Sollte der Kältemittelkreislauf 1 noch Kälteleistungspotenzial ausweisen können, d. h. dass bspw. der Kältemittel-Volumenstrom mittels des Kältemittelverdichters 3 noch erhöht werden kann, so kann dieses durch Umsetzen des Temperaturabsenkwerts weiter ausgeschöpft werden.
  • Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der Kälteleistung an Chiller 1 sieht vor, dass die Zuluftmenge des in die Fahrzeugkabine strömenden und konditionierten Zuluftstromes auf einen vorgegebenen (bis hin zu einem minimalen) Zuluftmengenwert abgesenkt wird. Mit einer solchen Reduzierung der Zuluftmenge wird der Kältebedarf und der Entfeuchtungsanteil am Innenraum-Verdampfer 2 reduziert, wodurch gleichzeitig eine Erhöhung der Kälteleistung des Chillers 1 realisiert wird. Der vorgegebene Zuluftmengenwert wird in Abhängigkeit von der Dringlichkeit des Bedarfs des Bauteilschutzes, beispielsweise im Falle der Hochvoltkomponente, dass unter den aktuellen Betriebsbedingungen der Kälteanlage die seitens des Kühlmediums erforderliche Kälteleistung nicht bereitgestellt werden kann, bestimmt und aktiviert. Dabei wird die Luftmenge in einem Maß reduziert und ggf. auch die Nachheizung des Luftstroms herabgesetzt, so dass den Passagieren für eine begrenzte Zeitdauer noch ein verträgliches Minimum an Komfort bereitgestellt werden kann.
  • Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der Kälteleistung des Chillers besteht darin, in Abhängigkeit der Enthalpiewerte der beteiligten Luftströme den Zuluftstrom in die Fahrzeugkabine durch Variation der Umluft- bzw. Frischluftanteile aktiv zu beeinflussen.
  • So wird der Zuluftstrom vollständig auf Frischluft umgestellt, wenn die Enthalpie der Frischluft kleiner als die Enthalpie der Umluft ist. Wenn die Enthalpie der Frischluft kleiner als die Enthalpie der Umluft ist, bedeutet dies, dass die Umluft in der Fahrzeugkabine wärmer und ggf. feuchter als die Luft der Fahrzeugumgebung ist und somit die aufzubringende Kälteleistung reduziert wird, wenn der Zuluftstrom vollständig durch Frischluft ersetzt wird.
  • Umgekehrt, wenn die Enthalpie der Frischluft größer als die Enthalpie der Umluft ist, wird dem Zuluftstrom nur ein geringer bis gar kein Anteil von Frischluft beigemischt. Wenn die Enthalpie der Frischluft größer als die Enthalpie der Umluft ist, bedeutet dies, dass die Umluft der Fahrzeugkabine kälter und ggf. trockener als die Luft der Fahrzeugumgebung und damit der Frischluft ist und daher bei Zuführung von Frischluft zu deren Abkühlung auf das Niveau der Fahrzeugkabine erhöhte Kälteleistung bereitgestellt werden müsste. Daher wird in diesem Fall lediglich ein geringer Anteil von Frischluft beigefügt, so dass entsprechend den MAK-Richtlinien die erforderlichen CO2-Konzentrationen eingehalten werden. Vorzugsweise wird der Zuluft 5 bis 10 % an Frischluft zugemischt.
  • Alternativ kann der Kältemittelkreislauf 10 gemäß 1 auch mit einem dritten Expansionsorgan AE3 betrieben werden, wie dies in 3 dargestellt ist. Dieses dritte Expansionsorgan AE3 gehört zum Innenraum-Verdampferzweig 2.0 und ist dem Innenraum-Verdampfer 2 stromabwärts nachgeschaltet. Der Kältemittelzustand innerhalb des Innenraum-Verdampferzweiges 2.0 kann über einen stromabwärts des Innenraum-Verdampfers 2 vorgesehenen Druck-Temperatursensor pT5 detektiert werden, alternativ kann auch ein dem Innenraum-Verdampfer 2 luftaustrittsseitig nachgeschaltete Lufttemperaturfühler TLuft hierfür herangezogen werden.
  • Dieses als elektrisch oder mechanisch regelbares Expansionsventil ausgeführte dritte Expansionsorgan AE3 sorgt dafür, dass im Innenraum-Verdampferzweig 2.0 keine Unterschreitung eines zur luftseitigen Vereisung führenden Niederdrucks, aufgrund anfallendes Kondensat im Verdampfernetz, erfolgt.
  • Damit kann im Innenraum-Verdampferzweig 2.0 ein Mitteldruckniveau eingestellt werden, während am Chiller 1 ein quasi beliebiges Niederdruckniveau unterhalb des Niederdruckniveaus im Verdampferzweig 2.0 mittels des Kältemittelverdichters 3 in Abhängigkeit der geforderten Kühlleistung des Chillers 1, insbesondere wie oben dargestellt die maximale Kälteleistung eingestellt werden. Hierzu wird mittels des ersten Expansionsorgans AE1 primär die Sollabkühlung des Kühlmediums reguliert, die bei einem jeweils eingestellten Niederdruck bei einer Mindestüberhitzung von beispielsweise 3K ihr Maximum erreicht. Letztlich ist die Kälteleistung am Chiller 1 in Abhängigkeit des Überhitzungsgrades am Kältemittelaustritt des Chillers 1 beim jeweiligen herrschenden Niederdruck variierbar. Hierbei wird die maximale Kälteleistung des Chillers 1 erzielt, wenn an dessen Kältemittelaustritt das Kältemittel nahe der Taulinie des Kältemittels insbesondere auf den minimalen Sollwert des Zielüberhitzungsgrades bzw. des zulässigen Überhitzungsgrades mit einem Wert zwischen 3 und 7 K eingestellt wird.
  • Bei einem gegenüber dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers 2 kleineren Niederdruck des Chillers 1 wird zur Erhöhung der Kälteleistung des Chillers 1 das Kältemittel am Kältemittelaustritt des Chillers 1 nahe an dessen Taulinie, d. h. mit einer geringen Überhitzung betrieben und der Innenraum-Verdampfer 2 mittels des dritten Expansionsorgans AE3 auf einem Mitteldruck-Niveau betrieben. Zur Reduzierung der Kälteleistung des Chillers 1 wird durch Regelung des Kältemittelverdichters 3 der Niederdruck des Chillers 1 bis an den Niederdruck des Innenraum-Verdampfers 2 angehoben. Durch weiteres Androsseln des ersten Expansionsorgans AE1 kann zusätzlich die Kälteleistung am Chiller 1 reduziert werden.
  • Bei einem dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers 2 entsprechenden Niederdruck des Chillers 1 wird eine maximale Kühlleistung am Chiller 1 erzeugt, wenn das Kältemittel im Kältemittelaustritt des Chillers 1 nahe an dessen Taulinie, also mit minimaler Überhitzung auf den minimalen Sollwert des Zielüberhitzungsgrades bzw. des zulässigen Überhitzungsgrades betrieben wird. Die Kühlleistung des Chillers 1 wird durch eine Erhöhung der Überhitzung des Kältemittels mittels des ersten Expansionsorgans AE1 bei konstantem Druck im Innenraum-Verdampfer 2 reduziert.
  • Im Zusammenhang mit dem Hochdruck Kältemittelsammler 6.2 sei vermerkt, dass die Sammlerflasche auch in den Kondensator 4 integriert werden kann, bevor stromabwärts die in den Kondensator 4 integrierte Subcoolstrecke durchströmt wird. In dieser Konstellation, die in dieser Aufbauweise nicht einsetzbar ist für die Ausführung als Luftwärmepumpe, kann der dritte Druck-Temperatursensorsensor pT3 entfallen, da mittels des Kondensators 4, in welchem Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 und Subcoolstrecke integriert sind bereits selbständig eine Unterkühlung des Kältemittels eingestellt wird.
  • Diese Methode zur Erhöhung oder Maximierung der Leistungsbereitstellung am Chiller 1 gilt auch für Kältemittelkreisläufe 1, die mehr als einen Innenraum-Verdampfer 2 aufweisen bzw. generell für alle Mehrverdampfersysteme, wobei die dort installierten Verdampfer als Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager und/oder als Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgeführt sind.
  • Ferner können die beschriebenen Verfahren auch bei einem Kältemittelkreislauf 10 mit Wärmepumpenfunktion realisiert werden.
  • Schließlich können die beschriebenen Verfahren für alle bekannten Kältemittel, wie R744, R134a, R1234yf usw. eingesetzt werden, wobei speziell für R744-System ausschließlich der Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 Berücksichtigung findet.
  • Zusammengefasst kann das ideale Regelziel eines Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers, wie bspw. des Chillers 1 zum Erzielen einer maximalen Kälteleistung bei einem vorgegebenem Niederdruck als Taulinienbetreib beschrieben werden, wobei wegen der auf die Messsensorik zurückzuführenden eingeschränkten Auswertbarkeit eines Betriebspunktes auf der Taulinie das Ersatzregelziel „Mindestüberhitzung“ verfolgt wird. Eine weitere Kälteleistungssteigerung am Chiller 1 wird über die Reduktion des Niederdruckniveaus erzielt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Chiller des Kältemittelkreislaufs 10
    1.0
    Chiller-Zweig
    1.1
    Kühlmittelkreislauf des Chillers 1
    2
    Innenraum-Verdampfer
    2.0
    Innenraum-Verdampferzweig
    3
    Kältemittelverdichter
    4
    Kondensator oder Gaskühler
    5
    innerer Wärmeübertrager
    6.1
    Niederdruck-Kältemittelsammler
    6.2
    Hochdruck-Kältemittelsammler
    7
    Rückschlagventil
    10
    Kältem ittelkreislauf
    AE1
    erstes Expansionsorgan
    AE2
    zweites Expansionsorgan
    AE3
    drittes Expansionsorgan
    pT1
    Druck-Temperatursensor
    pT2
    Druck-Temperatursensor
    pT3
    Druck-Temperatursensor
    pT4
    Druck-Temperatursensor
    pT5
    Druck-Temperatursensor
    pT6
    Druck-Temperatursensor
    TLuft
    Lufttemperaturfühler
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016201835 A1 [0005]
    • DE 102011016613 A1 [0007]
    • DE 102015016394 A1 [0008]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf (10) aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs im Kältebetrieb mit - einem Chiller-Zweig (1.0), welcher einen Chiller (1) und ein erstes Expansionsorgan (AE1) aufweist und mit einem Kühlmittelkreislauf (1.1) thermisch gekoppelt ist, - wenigstens einem Innenraum-Verdampferzweig (2.0), welcher einen Innenraum-Verdampfer (2) und ein zweites Expansionsorgan (AE2) aufweist und dem Chiller-Zweig (1.0) parallel geschaltet ist, - einem Kältemittelverdichter (3), und - einem Kondensator oder Gaskühler (4), wobei - der Innenraum-Verdampfer (2) und der Chiller (1) mittels einer Regelung des ersten und zweiten Expansionsorgans (AE1, AE2) gleichzeitig betrieben werden, - der Überhitzungsgrad des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers (1) durch Steuern des Öffnungsgrades des ersten Expansionsorgans (AE1) auf einen minimalen Sollwert eines Zielüberhitzungsgrades geregelt wird, und - mittels des Innenraum-Verdampfers (2) das Niveau des Niederdrucks des Kältemittelkreislaufs (10) vorgegeben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Soll-Ausblastemperatur am Innenraum-Verdampfer (2) auf einen vorgegebenen Temperaturabsenkwert abgesenkt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der vorgegebene Temperaturabsenkwert in Abhängigkeit von einer von dem Chiller (1) bereitzustellenden Kühlleistung bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Zuluftmenge des in die Fahrzeugkabine strömenden und konditionierten Zuluftstromes auf einen vorgegebenen Zuluftmengenwert abgesenkt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der vorgegebene Zuluftmengenwert derart bestimmt wird, dass für die Fahrzeuginsassen für eine begrenzte Zeitdauer ein Minimum an Komfort bereitgestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Zuluftstrom anteilig verstärkt durch Frischluft oder vollständig durch Frischluft ersetzt wird, wenn die Enthalpie der Frischluft kleiner als die Enthalpie der Umluft ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem dem Zuluftstrom ein geringer Anteil von Frischluft oder keine Frischluft beigemischt wird, wenn die Enthalpie der Frischluft größer als die Enthalpie der Umluft ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem der Anteil von Frischluft in Abhängigkeit der den MAK-Richtlinien entsprechenden CO2-Konzentrationen bestimmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem der Zuluft 5 bis 10 % an Frischluft zugemischt wird.
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