DE102020206844A1

DE102020206844A1 - Kühlvorrichtung zum Kühlen der Batterie von Elektrofahrzeugen, ein Verfahren zum Betreiben der Kühlvorrichtung, Klimaanlage mit einer solchen Kühlvorrichtung und Verfahren Steuerung einer solchen Klimaanlage

Info

Publication number: DE102020206844A1
Application number: DE102020206844.5A
Authority: DE
Inventors: Werner Hünemörder
Original assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH; Denso Corp
Current assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH; Denso Corp
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-06-02
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Es wird eine Kühlvorrichtung (2) zum Kühlen der Batterie (6) von Elektrofahrzeugen, Verfahren zum Überprüfen der Funktion der Kühlvorrichtung (2), eine Klimaanlage mit einer solchen Kühlvorrichtung (2) und ein Verfahren Steuerung einer solchen Klimaanlage angegeben, die eine verbesserte und vereinfachte Steuerung und Regelung der Kühlmitteltemperatur (TKMA) im Kühlmittelkreislauf (4) der Kühlvorrichtung und damit der Temperatur in der Batterie (6) ermöglicht. Durch die Integration des ersten Temperatursensors (23) für die Erfassung der Kühlmitteltemperatur (TKMA) vor den Batterien (6) in die Kühlvorrichtung (2) und die Anbindung des ersten Temperatursensors (23) an die lokale Steuereinrichtung (38) kann die Kühlmitteltemperatur (TKMA) am Kühlmittelausgang (18) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) direkt durch die Änderung der Öffnungscharakteristik des ersten Expansionsventils (20) gesteuert werden. Damit ist die Regelung der Leistung über die Kühlmitteltemperatur (TKMA) unabhängig von der Steuerung der Überhitzung (SH) möglich.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Batterie von Elektrofahrzeugen nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben der Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, eine Klimaanlage nach Anspruch 13 mit einer solchen Kühlvorrichtung und ein Verfahren Steuerung einer solchen Klimaanlage nach Anspruch 15.
Die wieder aufladbaren Batterien bzw. Akkus von Elektrofahrzeugen müssen gekühlt werden. Hierzu wird eine Kühlvorrichtung in die Klimaanlage eines Elektrofahrzeuges integriert. Diese Kühlvorrichtung kühlt ein Kühlmittel, das die Batterie auf eine gewünschte Temperatur kühlt. 9 zeigt eine solche bekannte Anordnung. gemäß einer Entwicklung der Anmelderin. Die Klimaanlage nach 9 umfasst eine Kühlvorrichtung 2 zum Kühlen eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf 4 in den Batterien 6 eines Elektrofahrzeuges eingebunden sind. Der Kühlmittelkreislauf 4 wird durch eine Kühlmittelpumpe 7 aufrechterhalten. Im Kühlmittelkreislauf 4 ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels unmittelbar vor den Batterien 6 ein Kühlmittel-Temperatursensor 8 angeordnet. Die Kühlvorrichtung 2 umfasst einen kühlmittelseitigen Verdampfer 10 mit einem Flüssigkeitseingang 12 für flüssiges Kältemittel, einen Gasausgang 14 für gasförmiges Kältemittel, einen Kühlmitteleingang 16 und einen Kühlmittelausgang 18 für flüssiges Kühlmittel. Der Flüssigkeitseingang 12 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 ist mit einem ersten Expansionsventil 20 verbunden und im Gasausgang 14 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 ist ein erstes Druck/Temperatur-Sensorpaar 22 angeordnet. Der kühlmittelseitige Verdampfer 10 mit dem ersten Expansionsventil 20 ist mit einem Kompressor 24 und einem luftgekühlten Kondensator 26 in einen Kältemittelkreislauf 28 eingebunden. Der Kompressor 24 umfasst einen Niederdruckeingang 30 und einen Hochdruckausgang 32. Der Niederdruckeingang 30 des Kompressors 24 ist mit dem Gasausgang 14 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 verbunden. Der Kondensator 26 umfasst einen Gaseingang 34 und einen Flüssigkeitsausgang 36. Am Kondensatausgang 36 des Kondensators 26 ist ein Kondensat-Temperatursensor 37 angeordnet. Der Flüssigkeitsausgang 36 des Kondensators 26 ist mit dem ersten Expansionsventil 20 verbunden. Durch eine lokale Steuereinrichtung 38, die mit dem ersten Expansionsventil 20 und dem ersten Druck/Temperatur-Sensorpaar 22 verbunden ist, wird die Überhitzung SH des Kältemitteldampfes am Gasausgang 14 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 gesteuert.
Ein luftseitiger Verdampfer 40 mit einem zweiten Expansionsventil 42 einer herkömmlichen Klimaanlage ist parallel zu der Kühlvorrichtung 2 in den Kältemittelkreislauf 28 eingebunden. Der luftseitige Verdampfer 40 umfasst einen Flüssigkeitseingang 44 für flüssiges Kältemittel, einen Gasausgang 46 für gasförmiges Kältemittel sowie einen Lufteingang 48 und einen Luftausgang 50 für die zu kühlende Luft im Fahrgastinnenraum eines Elektrofahrzeugs. Im Gasausgang 46 des luftseitigen Verdampfers 40 ist ein zweites Druck/Temperatur-Sensorpaar 52 angeordnet. Durch eine Hauptsteuereinrichtung 54 wird die Klimaanlage gesteuert und geregelt. Die Hauptsteuereinrichtung 54 ist mit der lokalen Steuereinrichtung 38, dem zweiten Druck/Temperatur-Sensorpaaren 52, dem zweiten Expansionsventil 42, dem Kompressor 24, dem Kühlmittel-Temperatursensor 8 und der lokalen Steuereinrichtung 38 verbunden.
Um eine Beschädigung des Kompressors 24 zu verhindern muss der aus dem kühlmittelseitigen und dem luftseitigen Verdampfer 10, 40 austretende Kältemitteldampf überhitzt sein. Diese Überhitzung SH wird im einfachsten Fall durch ein entsprechend eingestelltes mechanisches Expansionsventil gesteuert oder es erfolgt über die lokale Steuereinrichtung 38, die aufgrund der Messwerte des ersten Druck/Temperatur-Sensorpaares 22 das erste Expansionsventil 20 ansteuert bzw. über die Hauptsteuereinrichtung 54, die die aufgrund der Messwerte des zweiten Druck/Temperatur-Sensorpaares 22 das zweite Expansionsventil 42 ansteuert. Durch Veränderung der Überhitzung SH kann im kühlmittelseitigen Verdampfer 10 auch die Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelausgang des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 verändert werden. Nachteilig hierbei ist, dass sich bei niedriger Verdampferleistung und hoher Überhitzung SH bei einer Leistungsänderung die Überhitzung SH und die Kältemitteltemperatur am Gasausgang 14 kaum ändert. Bei niedriger Verdampferleistung ist daher die Regelung der Kühlmitteltemperatur über den Grad der Überhitzung SH des Kältemitteldampfes am Gasausgang des kühlmittelseitigen Verdampfers nicht möglich. Auch bei Betriebszuständen ohne Überhitzung SH (Flüssigkeit am Austritt) kann die Leistungsregelung nicht über den Grad der Überhitzung erfolgen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Kühlvorrichtung anzugeben, die eine verbesserte und vereinfachte Steuerung und Regelung der Kühlmitteltemperatur im Kühlmittelkreislauf und damit der Temperatur in der Batterie ermöglicht.
Weiter ist es Aufgabe der Erfindung Verfahren zur Überprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung anzugeben.
Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine Klimaanlage für Elektrofahrzeuge mit einer solchen Kühlvorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur Steuerung einer solchen Klimaanlage anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1, 5, 13und 15.
Durch die Integration des ersten Temperatursensors für die Erfassung der Kühlmitteltemperatur vor den Batterien in die Kühlvorrichtung und die Anbindung des ersten Temperatursensors an die lokale Steuereinrichtung kann die Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelausgang des kühlmittelseitigen Verdampfers direkt durch die Änderung der Öffnungscharakteristik des ersten Expansionsventils gesteuert werden - Anspruch 5. Damit ist die Regelung der Leistung über die Kühlmitteltemperatur unabhängig von der Steuerung der Überhitzung möglich.
Die Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 12 betreffen verschiedene vorteilhafte Möglichkeiten zusätzlich die Funktion bzw. Funktionsfähigkeit der Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu überprüfen. Nach dem Verfahren nach Anspruch 12 werden zumindest einige der in den Verfahren nach Anspruch 6 bis 11 benötigten Referenzwerte durch ein anderes der Verfahren nach Anspruch 6 bis 11 bereitgestellt. Die Verfahren zur Überprüfung der die Funktion bzw. Funktionsfähigkeit der Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 12 sind auch unabhängig von dem Verfahren nach Anspruch 4 einsetzbar.
Die Klimaanlage nach Anspruch 13 und 14 mit einer Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ermöglicht eine verbesserte Steuerung und Regelung wie sie in den Anspruch 15 bis 17 angegeben ist.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine schematische Darstellung der Integration der Kühlvorrichtung nach 1 in die Klimaanlage eines Elektrofahrzeugs,
5a und 5b zeigen schematisch eine erste und eine zweite Möglichkeit der Eigenüberprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung und ihrer Komponenten,
6a und 6b zeigen schematisch eine dritte Möglichkeit der Eigenüberprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung und ihrer Komponenten,
7a und 7b zeigen schematisch eine vierte Möglichkeit der Eigenüberprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung und ihrer Komponenten,
8a und 8b zeigen schematisch eine fünfte Möglichkeit der Eigenüberprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung und ihrer Komponenten, und
9 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage für Elektrofahrzeuge nach einer betriebsinternen Entwicklung der Anmelderin.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Kühlvorrichtung 2 mit einem kühlmittelseitigem Verdampfer 10, einem ersten Expansionsventil 20, einem ersten Druck/Temperatur-Sensorpaar 22, einem ersten Temperatursensor 23 und einer lokalen Steuereinrichtung 38. Der kühlmittelseitige Verdampfer 10 weist einen Flüssigkeitseingang 12 für flüssiges Kältemittel, einen Gasausgang 14 für gasförmiges Kältemittel, einen Kühlmitteleingang 16 und einen Kühlmittelausgang 18 für flüssiges Kühlmittel auf. Der Flüssigkeitseingang 12 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 ist mit dem ersten Expansionsventil 20 verbunden und im Gasausgang 14 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 ist das erste Druck/Temperatur-Sensorpaar 22 angeordnet. Der erste Temperatursensor 23 ist im Kühlmittelausgang 18 angeordnet. Das erste Expansionsventil 20, der erste Temperatursensor 23 und das erste Druck/Temperatur-Sensorpaar 22 ist mit der lokalen Steuereinrichtung 38 verbunden.
Durch die Integration des Kühlmitteltemperatur-Sensors 8 als den ersten Temperatursensors 23 in die Kühlvorrichtung 2 und zwar am Kühlmittelausgang 18 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 und die Anbindung des ersten Temperatursensors 23 an die lokale Steuereinrichtung 38 - anstelle der Anbindung an die Hauptsteuereinrichtung 54 gemäß der Schaltung nach 9 - kann die durch den ersten Temperatursensor 23 erfasste Kühlmitteltemperatur T_KMA direkt durch Veränderung des Öffnungszustandes des ersten Expansionsventils 20 durch die lokale Steuereinrichtung 38 geregelt werden.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Kühlvorrichtung 2, die sich von der Kühlvorrichtung nach 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass im Flüssigkeitseingang 12 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 in Strömungsrichtung nach dem ersten Expansionsventil 20 ein zweiter Temperatursensor 56 zur Erfassung der Temperatur T_VE des Kältemittels angeordnet ist.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Kühlvorrichtung 2, die sich von der Kühlvorrichtung nach 2 lediglich dadurch unterscheidet, dass in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem ersten Expansionsventil 20 ein dritter Temperatursensor 58 zur Erfassung der Temperatur T_K des Kältemittels und dass am Flüssigkeitseingang 12 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 ein vierter Temperatursensor 62 zur Erfassung der Temperatur T_KME des Kühlmittels angeordnet ist.
4 zeigt die Einbindung der Kühlvorrichtung 2 nach 1 bis 3 in eine Klimaanlage für Elektrofahrzeuge mit einer Batterie 6 analog der Darstellung in 9. Die Kühlvorrichtung 2 ist über den Kühlmitteleingang 16 und den Kühlmittelausgang 18 in einen Kühlmittelkreislauf 4 mit der Batterie 6 und einer Kühlmittelpumpe 7 eingebunden. Der kühlmittelseitige Verdampfer 10 ist mit dem ersten Expansionsventil 20 und dem Gasausgang 14 für gasförmiges Kältemittel mit einem Kompressor 24 und einem luftgekühlten Kondensator 26 in einen Kältemittelkreislauf 28 eingebunden. Der Kompressor 24 umfasst einen Niederdruckeingang 30 und einen Hochdruckausgang 32. Der Niederdruckeingang 30 des Kompressors 24 ist mit dem Gasausgang 14 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 verbunden. Der Kondensator 26 umfasst einen Gaseingang 34 und einen Kondensatausgang 36. Der Kondensatausgang 36 des Kondensators 26 ist mit dem ersten Expansionsventil 20 verbunden.
Ein luftseitiger Verdampfer 40 mit einem zweiten Expansionsventil 42 einer herkömmlichen Klimaanlage ist parallel zu der Kühlvorrichtung 2 mit dem ersten Expansionsventil 22 und dem kühlmittelseitigen Verdampfer 10 in den Kältemittelkreislauf 28 eingebunden. Der luftseitige Verdampfer 40 umfasst einen Flüssigkeitseingang 44 für flüssiges Kältemittel, einen Gasausgang 46 für gasförmiges Kältemittel sowie einen Lufteingang 48 und einen Luftausgang 50 für die zu kühlende Luft im Fahrgastinnenraum eines Elektrofahrzeugs. Im Gasausgang 46 des luftseitigen Verdampfers 40 ist einzweites Druck/Temperatur-Sensorpaar 52 angeordnet. Im Luftausgang 50 ist ein Kühlluft-Temperatursensor 60 angeordnet.
4 zeigt konkret die Einbindung der Kühlvorrichtung 2 nach 3. Damit ist am Kühlmittelausgang 18 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 der erste Temperatursensor 23, am Gasausgang 14 das erste Druck/Temperatur-Sensorpaar 22, am Flüssigkeitseingang 12 der zweite Temperatursensor 56, in Strömungsrichtung vor dem Expansionsventil 20 der dritte Temperatursensor 58 und am Kühlmitteleingang 16 ist der vierte Temperatursensor 62 angeordnet. Der dritte Temperatursensor 58 unmittelbar vor dem ersten Expansionsventil entspricht dem Kondensat-Temperatursensor 37 des Aufbaus nach 9, es ist lediglich die Position verschoben und der dritte Temperatursensor 58 ist Teil der Kühlvorrichtung 2.
Durch eine Hauptsteuereinrichtung 54 wird die Klimaanlage gesteuert und geregelt. Die Hauptsteuereinrichtung 54 ist mit der lokalen Steuereinrichtung 38, dem zweiten Druck/Temperatur-Sensorpaaren 52, dem zweiten Expansionsventil 42, Kühlluft-Temperatursensor 60 und dem Kompressor 24 verbunden.
Die Steuerung der Klimaanlage nach 4 erfolgt nach einem ersten Betriebsmodus, wenn beide Verdampfer 10, 40 in Betrieb sind oder nach einem zweiten Betriebsmodus, wenn nur der kühlmittelseitige Verdampfer 10 in Betrieb ist.
Im ersten Betriebsmodus wird der luftseitige Verdampfer 40 durch das zweite Expansionsventil 42 allein oder durch Ansteuerung des zweiten Expansionsventils 42 aufgrund der Messwerte des zweiten Druck/Temperatur-Sensorpaars 52 mittels der Hauptsteuereinrichtung 54 auf konstante Überhitzung SH geregelt. Die Regelung der Lufttemperatur im Luftausgang 50 - Kühlluft-Temperatursensor 60 - des luftseitigen Verdampfers 40 erfolgt durch Variation der Kompressordrehzahl über die Hauptsteuereinrichtung 54. Die Regelung der Kühlmitteltemperatur T_KMA im Kühlmittelausgang 18 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 erfolgt durch die Veränderung des Öffnungszustandes des ersten Expansionsventils 20 durch die lokale Steuereinrichtung 38.
Im zweiten Betriebsmodus - nur der kühlmittelseitige Verdampfer 10 ist in Betrieb - erfolgt die Regelung der Überhitzung SH durch Ansteuerung des ersten Expansionsventils 20 über die lokale Steuereinrichtung 38 aufgrund der Messwerte des ersten Druck/Temperatur-Sensorpaares 22. Die Regelung der Kühlmitteltemperatur T_KMA im Kühlmittelausgang 18 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 - erster Temperatursensor 23 - erfolgt durch die Veränderung der Kompressordrehzahl über Hauptsteuereinrichtung 54.
Nach einem Dritten Betriebsmodus, der eine Modifikation des zweiten Betriebsmodus darstellt, wird das erste Expansionsventil 20 direkt durch die Hauptsteuereinrichtung 54 angesteuert. Die Steuersignale werden von der lokalen Steuereinrichtung 38 nur durchgeleitet.
Bauteile und Komponenten von Kraftfahrzeugen müssen inzwischen ihre eigene Funktionalität überprüfen können, die sogenannte OBD-Fähigkeit (OBD = On Board Diagnostic). Dies ist mit der Kühlvorrichtung 2 aufgrund ihrer „Intelligenz“ - aufgrund der lokalen Steuereinrichtung - in mehrfacher Hinsicht möglich.
5a und 5b zeigen schematisch eine erste und eine zweite Möglichkeit der Eigenüberprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung 2 und ihrer Komponenten. Gemäß der ersten Möglichkeit wird der Öffnungszustand des ersten Expansionsventils 20 geändert. Diese Veränderung führt bei einer funktionsfähigen Kühlvorrichtung 2 zu einer Veränderung der Messwerte des ersten Druck/Temperatur-Sensorpaares 22. Die sich ändernden Messwerte des Druck/Temperatur-Sensorpaares 22 werden mit Referenzwerten in Tabellen verglichen. Sind die Abweichungen zu groß, wird angenommen, dass mindestens eine Komponente des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 defekt ist und es wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
5a und 5b illustrieren auch eine zweite Möglichkeit der Eigenüberprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung 2 und ihrer Komponenten. Wenn sich der Öffnungszustand des ersten Expansionsventils 20 impulsartig ändert, vergeht aufgrund der räumlichen Ausdehnung des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 eine bestimmte Zeitdauer Δt bis sich diese Änderung auf die Überhitzung SH des Kältemitteldampfes am Gasausgang 14 auswirkt. Aus diesem Zeitversatz Δt und den Dimensionen des Verdampfers 10 kann der Massenstrom ṁ durch den Verdampfer 10 abgeschätzt werden. Durch Messung der Temperatur T_K im Kältemittelkreislauf 28 vor ersten Expansionsventil 20 durch den dritten Temperatursensor 58 und von Druck pva und Temperatur T_VA am Gasausgang 14 des Verdampfers 10 - erstes Druck/Temperatur-Sensorpaar 22 - kann aus Stoffwerttabellen die spezifische Enthalpiedifferenz Δh zwischen der spezifischen Enthalpie h_K vor dem ersten Expansionsventil 20 und der spezifischen Enthalpie h_VA nach dem Verdampfer 10 am Gasausgang 14 ermittelt werden. Damit kann nach der Formel Q̇̇ = ṁ · Δh die Verdampferleistung des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 abgeschätzt werden. Durch einen Vergleich mit Referenzwerten aus Tabellen, kann auf die Funktionsfähigkeit der Kühlvorrichtung 2 geschlossen werden. Ist die Abweichung zu groß, ist davon auszugehen, dass mindestens eine Komponente der Kühlvorrichtung 2, das Expansionsventil 20, das erste Druck/Temperatur-Sensorpaar oder der Verdampfer 10 selbst defekt ist und es wird eine Fehlermeldung ausgeben.
Die Temperatur T_K im Kältemittelkreislauf 28 vor dem ersten Expansionsventil 22 wird entweder durch den dritten Temperatursensor 58 oder durch den Kondensat-Temperatursensor 37 im Kondensatausgang 36 des Kondensators 26 nach 9 gemessen. Es kann daher entweder auf den dritten Temperatursensor 58 oder den Kondensat-Temperatursensor 37 verzichtet werden.
6a und 6b illustrieren eine dritte Möglichkeit der Eigenüberprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung 2 nach 2 und ihrer Komponenten. 6a zeigt schematisch die Kühlvorrichtung 2 und 6b zeigt den Temperaturverlauf des Kühlmittels und des Kältemittels im kühlmittelseitigen Verdampfer 10. Die Temperatur T_VE des Kältemittels am Flüssigkeitseingang 12 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 wird durch den zweiten Temperatursensor 56 gemessen und aus Stoffwerttabellen wird der zugehörige Sättigungsdruck p_VE ermittelt. am. Das erste Druck/Temperatur-Sensorpaar 22 misst den Druck p_VA am Gasausgang 14 des Verdampfers 10. Aus der Druckdifferenz Δp = P_VE - P_VA und der Formel $\dot{m} = \sqrt{\frac{Δ ρ}{k o n s e}} .$
lässt sich der Massenstrom ṁ abschätzen. Die spezifische Enthalpiedifferenz Δh wird gemäß dem Verfahren nach 5 abgeschätzt. Somit kann nach der Formel Q̇ = ṁ · Δh wiederum die Verdampferleistung abgeschätzt werden. In analoger Weise wie bei der zweiten Prüfmöglichkeit nach 5 kann damit wieder auf die Funktionsfähigkeit der Kühlvorrichtung 2 geschlossen werden.
7a und 7b illustrieren eine vierte Möglichkeit der Eigenüberprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung 2 nach 1 und ihrer Komponenten. 7a zeigt schematisch die Kühlvorrichtung 2 und 7b zeigt den Temperaturverlauf des Kühlmittels und des Kältemittels im kühlmittelseitigen Verdampfer 10. Der erste Temperatursensor 23 ermittelt die Temperatur T_KMA am Kühlmittelausgang 18. Aus dem durch das erste Druck/Temperatur-Sensorpaar 22 gemessenen Druck p_VA und dem funktionalen Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur im Zwei-Phasen-Gebiet des Kältemittels kann die Sattdampftemperatur T_sat abgeschätzt werden. Nach der Formel Q̇ = k · A · (T_KMA - T_sat), mit dem Wärmeübergangskoeffizienten k und einer konstanten Verdampferfläche A kann damit wiederum die Verdampferleistung Q abgeschätzt und damit analog zu dem Verfahren nach 5 und 6 auf die Funktionsfähigkeit der Kühlvorrichtung 2 geschlossen werden.
8a und 8b illustrieren eine fünfte Möglichkeit der Eigenüberprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung 2 und ihrer Komponenten bei der ein vierter Temperatursensor 62 am Kühlmitteleingang 16 des kühlmittelseitigen Verdampfers 10 zur Messung der Temperatur T_KME des Kühlmittels benötigt wird. 8a zeigt schematisch die Kühlvorrichtung 2 und 8b zeigt den Temperaturverlauf des Kühlmittels und des Kältemittels im kühlmittelseitigen Verdampfer 10. Aus der Temperatur T_KMA und T_KME wird eine mittlere Kühlmitteltemperatur T_KMmittel gebildet, die nach der Formel Q̇ = k · A · (T_KMmittel - T_sat), mit dem Wärmeübergangskoeffizienten k und einer konstanten Verdampferfläche A zur Abschätzung der Verdampferleistung Q benutzt wird. Diese fünfte Möglichkeit der Eigenüberprüfung ist damit etwas genauer als die vierte Möglichkeit nach 7a und 7b.
Der Wärmeübergangskoeffizient k kann zur Verbesserung der Genauigkeit der Abschätzung nicht als Konstante, sondern veränderlich in Abhängigkeit der Massenströme ṁ_kältemittel und ṁ_kühlmittel durch den kühlmittelseitigen Verdampfer 10 angesetzt werden. Dies führt zu einer noch genaueren Abschätzung der Verdampferleistung Q̇.
Die fünf vorgenannten Möglichkeiten zur Eigenüberprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung 2 können auch miteinander kombiniert werden, wodurch sich eine weiter verbesserte Funktionsprüfung ergibt. So kann die Verdampferleistung nach einem der fünf Verfahren abgeschätzt und mit der Abschätzung nach einem anderen der fünf Verfahren verglichen werden. Ist der Unterschied der auf unterschiedliche Weise ermittelten Verdampferleistungen zu groß, wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
Auch können einige der in einem der fünf Verfahren eingesetzten vorbestimmten Referenzwerte aus den Abschätzungen nach einem anderen der fünf Verfahren stammen.
Bezugszeichenliste

2: Kühlvorrichtung
4: Kühlmittelkreislauf
6: Batterie eines Elektrofahrzeugs
7: Kühlmittelpumpe
8: Kühlmittel-Temperatursensor
10: kühlmittelseitiger Verdampfer
12: Flüssigkeitseingang von 10 für flüssiges Kältemittel
14: Gasausgang von 10 für gasförmiges Kältemittel
16: Kühlmitteleingang von 10
18: Kühlmittelausgang von 10
20: erstes Expansionsventil
22: erstes Druck/Temperatur-Sensorpaar
23: erster Temperatursensor, T_KMA
24: Kompressor
26: Kondensator
28: Kältemittelkreislauf
30: Niederdruckeingang von 24
32: Hochdruckausgang von 24
34: Gaseingang von 26
36: Kondensatausgang von 26
37: Kondensat-Temperatursensor
38: lokale Steuereinrichtung
40: luftseitiger Verdampfer
42: zweites Expansionsventil
44: Flüssigkeitseingang von 40 für flüssiges Kältemittel
46: Gasausgang aus 40 für gasförmiges Kältemittel
48: Lufteingang von 40
50: Luftausgang von 40
52: zweites Druck/Temperatur-Sensorpaar
54: Hauptsteuereinrichtung
56: zweiter Temperatursensor, T_VE
58: dritter Temperatursensor, T_K
60: Kühlluft-Temperatursensor
62: vierter Temperatursensor am Kühlmitteleingang 16, T_KME
TKMA: Temperatur Kühlmittel bei 18, erster Temperatursensor 23
TVE: Temperatur Kältemittel bei 12, zweiter Temperatursensor 56
TK: Temperatur Kältemittel vor 20, dritter Temperatursensor 58
TKME: Temperatur Kühlmittel bei 16, vierter Temperatursensor 62
TVA: Temperatur Kältemittel bei 14, erstes Druck/Temperatur-Sensorpaar 22
pVA: Druck Kältemittel bei 14, erstes Druck/Temperatur-Sensorpaar 22

Claims

Kühlvorrichtung zum Kühlen der Batterien (6) von Elektrofahrzeugen mit einem Kühlmittel, aufweisend: ein erstes Expansionsventil (20), einen kühlmittelseitigen Verdampfer (10), der einen Flüssigkeitseingang (12) für flüssiges Kältemittel, einen Gasausgang (14) für gasförmiges Kältemittel, einen Kühlmitteleingang (16) und einen Kühlmittelausgang (18) aufweist, wobei das erste Expansionsventil (20) mit dem Flüssigkeitseingang (12) verbunden ist, ein erstes Druck/Temperatur-Sensorpaar (22) im Gasausgang (14) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) zum Ermitteln der Überhitzung (SH) des Kältemitteldampfes im kühlmittelseitigen Verdampfer (10), eine lokale Steuereinrichtung (38), die mit dem ersten Expansionsventil (20) und dem ersten Druck/Temperatur-Sensorpaar (22) verbunden ist, und ausgelegt ist, die Überhitzung (SH) am Gasausgang (14) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) zu beeinflussen, und einem ersten Temperatursensor (23), der im Kühlmittelausgang (18) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) angeordnet ist zur Erfassung der Kühlmitteltemperatur (T_KMA) am Kühlmittelausgang (18), wobei der erste Temperatursensor (23) mit der lokalen Steuereinrichtung (38) verbunden ist, und wobei die lokale Steuereinrichtung (38) zur Beeinflussung der durch den ersten Temperatursensor (23) gemessenen Kühlmitteltemperatur (T_KMA) durch Ansteuerung des ersten Expansionsventils (20) ausgelegt ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Flüssigkeitseingang (12) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) ein zweiter Temperatursensor (56) zur Erfassung der Temperatur (T_VE) des Kältemittels angeordnet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem ersten Expansionsventil (20) ein dritter Temperatursensor (58) zur Erfassung der Temperatur (T_K) des flüssigen Kältemittels vorgesehen ist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Kühlmitteleingang (16) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) ein vierter Temperatursensor (62) zur Erfassung der Temperatur (T_KME) des Kühlmittels angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Festlegen einer Sollwertes für die durch den ersten Temperatursensor (23) gemessenen Kühlmitteltemperatur (T_KMA) am Kühlmittelausgang (18) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) in der lokalen Steuereinrichtung (38), b) Messen des Istwertes der Kühlmitteltemperatur (T_KMA) durch den ersten Temperatursensor (23), und c) Regelung der Kühlmitteltemperatur (T_KMA) durch Veränderung des Öffnungszustandes des ersten Expansionsventils (20) mittels der lokalen Steuereinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 5 mit Überprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Veränderung des Öffnungszustandes des ersten Expansionsventils (20), b) Bestimmen der sich daraus ergebenden veränderten Messwerte des ersten Druck/Temperatur-Sensorpaars (22) und des ersten Temperatursensors (23), c) Vergleich der Messwerte aus b) mit Referenzwerten aus Tabellen, und d) Ausgabe einer Fehlermeldung, wenn der Vergleich in c) Abweichungen ergibt, die über einem vorbestimmten Prozentsatz liegen.
Verfahren nach Anspruch 5 mit Überprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Veränderung des Öffnungszustandes des ersten Expansionsventils (20), b) Bestimmen des Zeitpunktes der Veränderung der Messwerte des ersten Druck/Temperatur-Sensorpaars (22) und des ersten Temperatursensors (23), c) Messung des Zeitversatzes (Δt) zwischen der Veränderung des Öffnungszustandes des ersten Expansionsventils in Schritt a) und den veränderten Messwerten in Schritt b), d) Abschätzung des Massenstroms (m) im kühlmittelseitigen Verdampfer (10) aus dem Zeitversatz (Δt) in Schritt c), e) Abschätzung der spezifischen Enthalpie (h_K) vor dem ersten Expansionsventil (20) aus der gemessenen Temperatur (T_K) und zugehörigen Werten aus Stoffwerttabellen, f) Abschätzung der spezifischen Enthalpie (h_VA) am Gasausgang (14) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) aus dem gemessenen Druck (p_VA) und der gemessenen Temperatur (T_VA) und zugehörigen Werten aus Stoffwerttabellen, g) Abschätzung der spezifischen Enthalpiedifferenz (Δh) nach der Formel Δh = h_K - h_VA), h) Abschätzung der Verdampferleistung gemäß der Formeln Q̇ = ṁ · Δh, i) Vergleich der abgeschätzten Verdampferleistung nach Schritt h) mit vorbestimmten Referenzwerten, und j) Ausgabe einer Fehlermeldung, wenn der Vergleich in i) Abweichungen ergibt, die über einem vorbestimmten Prozentsatz liegen.
Verfahren nach Anspruch 5 mit Überprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Messung der Temperatur (T_VE) am Flüssigkeitseingang (12) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) und Bestimmung des zugehörigen Sättigungsdrucks (P_VE) aus Stoffwerttabellen für das verwendete Kältemittel, b) Messung des Drucks (P_VA) am Gasausgang (14) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10), c) Bestimmung der Druckdifferenz Δp = P_VE - P_VA, d) Abschätzung des Massenstroms (m) im kühlmittelseitigen Verdampfer (10) aus der Druckdifferenz Δp nach der Formel $\dot{m} = \sqrt{\frac{Δ ρ}{k o n s e}} .$
e) Abschätzung der spezifischen Enthalpie (h_K) vor dem ersten Expansionsventil (20) aus der gemessenen Temperatur (T_K) und zugehörigen Werten aus Stoffwerttabellen, f) Abschätzung der spezifischen Enthalpie (h_VA) am Gasausgang (14) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) aus der gemessenen Temperatur (T_VA) und zugehörigen Werten aus Stoffwerttabellen, g) Abschätzung der spezifischen Enthalpiedifferenz (Δh) nach der Formel Δh = hK - hvA), h) Abschätzung der Verdampferleistung gemäß der Formel Q̇̇ = ṁ · Δh, i) Vergleich der abgeschätzten Verdampferleistung nach Schritt h) mit vorbestimmten Referenzwerten, und j) Ausgabe einer Fehlermeldung, wenn der Vergleich in i) Abweichungen ergibt, die über einem vorbestimmten Prozentsatz liegen.
Verfahren nach Anspruch 5 mit Überprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Messung der Kühlmitteltemperatur (T_KMA) am Kühlmittelausgang (18) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10), b) Abschätzung der Sattdampftemperatur (Tsat) im kühlmittelseitigen Verdampfer (10) aus dem durch das erste Druck/Temperatur-Sensorpaar gemessenen Druck (p_VA) am Gasausgang (14) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) und dem funktionalen Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur im Zwei-Phasen-Gebiet des Kältemittels, c) Abschätzung der Verdampferleistung gemäß der Formel Q = k · A · (T_KMA - T_sat), mit dem Wärmeübergangskoeffizienten (k) und einer konstanten Verdampferfläche (A), d) Vergleich der abgeschätzten Verdampferleistung nach Schritt c) mit vorbestimmten Referenzwerten, und e) Ausgabe einer Fehlermeldung, wenn der Vergleich in d) Abweichungen ergibt, die über einem vorbestimmten Prozentsatz liegen.
Verfahren nach Anspruch 5 mit Überprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Messung der Kühlmitteltemperatur (T_KMA) am Kühlmittelausgang (18) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10), b) Messung der Kühlmitteltemperatur (T_KME) am Kühlmitteleingang (16) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10), c) Ermitteln einer mittleren Kühlmitteltemperatur (T_KMmittel), d) Abschätzung der Sattdampftemperatur (T_sat) im kühlmittelseitigen Verdampfer (10) aus dem durch das erste Druck/Temperatur-Sensorpaar (22) gemessenen Druck (p_VA) am Gasausgang (14) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) und der Proportionalität zwischen Druck und Temperatur im Zwei-Phasen-Gebiet des Kältemittels, e) Abschätzung der Verdampferleistung gemäß der Formel Q̇ = k · A · (T_KMmittel - T_sat), mit dem Wärmeübergangskoeffizienten (k) und einer konstanten Verdampferfläche (A), f) Vergleich der abgeschätzten Verdampferleistung nach Schritt e) mit vorbestimmten Referenzwerten, und g) Ausgabe einer Fehlermeldung, wenn der Vergleich in f) Abweichungen ergibt, die über einem vorbestimmten Prozentsatz liegen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) bzw. e) der Wärmeübergangskoeffizient (k) nicht als Konstante, sondern in Abhängigkeit der Massenströme durch den kühlmittelseitigen Verdampfer (10) angesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 mit Überprüfung der Funktion der Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Abschätzung der Verdampferleistung nach wenigstens zwei der Ansprüche 6 bis 11, und b) Vergleich der abgeschätzten Verdampferleistungen nach Schritt a) miteinander, und c) Ausgabe einer Fehlermeldung, wenn der Vergleich in b) Abweichungen ergibt, die über einem vorbestimmten Prozentsatz liegen.
Klimaanlage für Elektrofahrzeuge, mit einem Kompressor (24), der einen Niederdruckeingang (30) und einen Hochdruckausgang (32) aufweist, einem Kondensator (26), der einen Gaseingang (34) und Flüssigkeitsausgang (36) aufweist, wobei der Gaseingang (34) mit dem Hochdruckausgang (32) des Kompressors (24) verbunden ist, einem luftseitigen Verdampfer (40), mit einem Flüssigkeitseingang (44) für flüssiges Kältemittel, einem Gasausgang (46) für gasförmiges Kältemittel, einem Lufteingang (48) und einem Luftausgang (50), einem zweiten Expansionsventil (42), das mit dem Flüssigkeitseingang (44) des luftseitigen Verdampfers (40) verbunden ist, und einer Hauptsteuereinrichtung (54) zur Steuerung der Klimaanlage, wobei Kompressor (24), Kondensator (26), zweites Expansionsventil (42) und luftseitiger Verdampfer (40) in einem Kältemittelkreislauf (28) miteinander verbunden sind, gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung (2) nach Anspruch 1 bis 4, wobei das erste Expansionsventil (20) und der kühlmittelseitige Verdampfer (10) parallel zu dem zweiten Expansionsventil (42) und dem luftseitigen Verdampfer (40) geschaltet sind und wobei die Hauptsteuereinrichtung (54) mit der lokalen Steuereinrichtung (38) der Kühlvorrichtung (2) verbunden ist.
Klimaanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasausgang (46) des luftseitigen Verdampfers (40) ein zweites Druck/Temperatur-Sensorpaar (52) und im Luftausgang (50) des luftseitigen Verdampfers (40) ein Kühlluft-Temperatursensor (60 angeordnet ist.
Verfahren zur Steuerung einer Klimaanlage nach einem der Ansprüche 13 oder 14, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Ermitteln des Betriebszustandes der beiden Verdampfer (10, 40); b) wenn beide Verdampfer (10, 40) in Betrieb sind: b1) Regelung des luftseitigen Verdampfers (40) auf konstante Überhitzung (SH), b2) Regelung der Lufttemperatur am Luftausgang (50) des luftseitigen Verdampfers (40) durch Veränderung der Kompressordrehzahl, und b3) Regelung der Kühlmitteltemperatur im Kühlmittelausgang (18) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) durch Ansteuerung des ersten Expansionsventils (22) über die lokale Steuereinrichtung (38), und c) wenn nur der kühlmittelseitige Verdampfer (10) in Betrieb ist: c1) Regelung der Überhitzung (SH) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) durch Veränderung des Öffnungszustandes des ersten Expansionsventils (20), und c2) Regelung der Kühlmitteltemperatur (T_KMA) am Kühlmittelausgang (18) des kühlmittelseitigen Verdampfers (10) durch Veränderung der Kompressordrehzahl.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c1) das erste Expansionsventil (20) durch die lokale Steuereinrichtung (38) angesteuert wird.
Verfahren zur Steuerung der Klimaanlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung in Schritt b3) und/oder c1) dadurch erfolgt, dass die Hauptsteuereinrichtung (54) die lokale Steuereinrichtung (38) ansteuert.