DE102021212314A1 - Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe für ein Kraftfahrzeug und Wärmepumpe - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren (100) zum Betreiben einer Wärmepumpe für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei die Wärmepumpe einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel, einen Umgebungswärmeübertrager, einen Verdichter, einen Heiz-Wärmeübertrager und eine Drossel umfasst. Das Verfahren (100) umfasst ein Ermitteln (101) eines voraussichtlichen Startzeitpunktes eines Ladevorgangs einer Batterie des Kraftfahrzeuges und ein Ermitteln (103) einer maximalen Taupunktunterschreitung und/oder einer maximalen Reifmasse. Das Verfahren (100) umfasst ferner ein Betreiben (107) der Wärmepumpe derart, dass innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne vor dem voraussichtlichen Startzeitpunkt die maximale Taupunktunterschreitung und/oder die maximale Reifmasse erreicht wird.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe für ein Kraftfahrzeug sowie eine Wärmepumpe für ein Kraftfahrzeug nach den unabhängigen Ansprüchen.
- Der Einsatz von Wärmepumpen zur Beheizung des Innenraumes eines Kraftfahrzeuges, insbesondere in der Elektromobilität, ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Die zum Heizen benötigte Wärme wird typischerweise aus der Umgebungsluft des Kraftfahrzeuges, in anderen Worten aus der Außenluft, entnommen, wobei ein Umgebungswärmeübertrager der Wärmepumpe dazu unter die Umgebungstemperatur gekühlt werden muss. Unterschreitet die Umgebungsluft dabei allerdings ihren Taupunkt, bildet sich Reif beziehungsweise Eis auf der Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers, wodurch Luft am Durchströmen gehindert wird und die Wärmepumpe nicht mehr effizient betrieben werden kann.
- Somit sind Abtauzyklen notwendig, deren Ziel es ist, den Reif bzw. das Eis zu schmelzen und somit eine Durchströmung des Wärmeübertragers zu sichern. Für ein besonders effizientes Betreiben der Wärmepumpe sollten die Abtauprozesse möglichst effizient erfolgen.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe für ein Kraftfahrzeug sowie eine Wärmepumpe derart zu verbessern, dass die Effizienz der Wärmepumpe erhöht wird.
- Gelöst wird die vorgenannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridelektrokraftfahrzeug, wobei die Wärmepumpe einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel umfasst. Die Wärmepumpe umfasst ferner einen Umgebungswärmeübertrager, einen Verdichter, einen Heizwärmeübertrager und eine Drossel. Diese sind in den Kältemittelkreislauf eingebunden. Das Verfahren umfasst ein Ermitteln eines voraussichtlichen Startzeitpunktes eines Ladevorganges einer Batterie des Kraftfahrzeuges, wobei das Verfahren ferner ein Ermitteln einer maximalen Taupunktunterschreitung und/oder einer maximalen Reifmasse umfasst. Die maximale Reifmasse beschreibt eine maximale Masse an Reif bzw. Eis, die der Umgebungswärmeübertrager aufnehmen kann. Diese kann bei der maximalen Temperaturunterschreitung auftreten. Es wird dann die Wärmepumpe derart betrieben, dass innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne vor dem ermittelten Startzeitpunkt die maximale Taupunktunterschreitung und/oder die maximale Reifmasse erreicht wird.
- Ferner bevorzugt umfasst das Verfahren ein Einleiten eines Abtauprozesses bei Erreichen der maximalen Taupunktunterschreitung und/oder beim Erreichen der maximalen Reifmasse und/oder beim Einleiten eines Ladevorganges der Batterie. Die maximale Reifmasse wird erreicht, wenn sich die maximale Reifmasse auf dem Umgebungswärmeübertrager gebildet hat. Die maximale Temperaturunterschreitung bezieht sich auf die Temperatur des Kältemittels im Umgebungswärmeübertrager.
- Da ein Abtauprozess während des Fahrbetriebes des Kraftfahrzeuges nicht immer stattfinden kann, wird somit bevorzugterweise das Abtauen an einen Zeitpunkt verlagert, an dem das Auto steht, da es geladen wird. Dabei entsteht aufgrund des Abtauens beim Ladevorgang der Vorteil, dass der Startzeitpunkt des Ladevorganges sehr gut abgeschätzt werden kann und somit die Wärmepumpe zuvor im Heiz- bzw. Vereisungsbetrieb optimal betrieben werden kann. Es wird somit eine gezielte Bereifung des Umgebungswärmeübertragers der Wärmepumpe zugelassen und das Einleiten des Abtauens an einem gut abschätzbaren, bekannten Zeitpunkt, an dem das Kraftfahrzeug nicht betrieben, sondern geladen wird, platziert.
- Beim Laden des Fahrzeugs bei Umgebungstemperaturen kleiner als 0°C ist es vorteilhaft, wenn das Abtauen über den Zeitpunkt, an dem der Umgebungswärmeübertrager von Reif und Eis befreit ist, vorzugsweise mindestens 10 Minuten, hinausgeht. Insbesondere sollte der Abtauprozess soweit verlängert werden, dass die Oberflächentemperatur des Wärmeübertragers größer als 0°C beträgt, um ein Ablaufen des Wassers während der Ladezeit zu gewährleisten. Dadurch kann die Schmelzwassermasse durch Wiedereinfrieren auf der Wärmeübertrageroberfläche reduziert werden und der fortfolgende Heizprozess der Wärmepumpe verlängert werden.
- Mittels des vorliegenden Verfahrens wird somit der Wärmepumpenbetrieb äußerst effizient durchgeführt, da der Umgebungswärmeübertrager möglichst kurz vor dem Startzeitpunkt des Ladevorganges verblockt bzw. die Wärmeaufnahme des Umgebungswärmeübertragers aus der Umgebungsluft signifikant nachlässt. Dadurch kann die maximal mögliche Wärme aus der Umgebung während des Heizbetriebes aufgenommen werden.
- Auf Basis der maximalen Taupunktunterschreitung und/oder der maximalen Reifmasse kann ein minimaler Saugdruck des Kältemittels im Kältemittelkreislauf bestimmt werden, da der Saugdruck direkt mit der Temperatur im Umgebungswärmeübertrager korreliert Da das Kältemittel auch lokal überhitzt sein kann, ist eine Bestimmung des Saugdrucks besonders vorteilhaft. Der Saugdruck sowie die Taupunktunterschreitung bzw. die Reifmasse dienen als Maß für die Vereisung des Umgebungswärmeübertragers. Unterschreitet der Saugdruck den zuvor ermittelten minimalen Saugdruck, der als Grenzwert dient, ist dies ein Indiz für eine maximale Vereisung, sprich für ein Erreichen der maximalen Taupunktunterschreitung und/oder der maximalen Reifmasse. Das Verfahren kann ein Messen des Saugdrucks mittels eines Druckfühlers umfassen. Ferner kann das Verfahren eine Überwachung des Saugdrucks umfassen.
- Die Wärmepumpe wird derart betrieben, dass durch eine Steuerung, vor allem Regelung des Verdichters und/oder der Drossel erreicht wird, dass innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne vor dem voraussichtlichen Startzeitpunkt die maximale Taupunktunterschreitung und/oder die maximale Reifmasse erreicht wird. Dies wird im Heizbetrieb der Wärmepumpe erreicht. Vorzugsweise kann eine Reduzierung der über die Wärmepumpe zu erzeugenden Heizleistung erfolgen. Fehlende Heizleistung der Wärmepumpe kann über eine zusätzliche Wärmequelle, bspw. einen elektrischen Heizer, erzeugt werden, sodass daraus kein Nachteil für Insassen des Fahrzeuges entsteht. Beispielsweise kann ein Verhältnis zwischen von der Wärmepumpe zu erbringender Heizleistung und von einer anderen Wärmequelle zu erbringender Heizleistung ermittelt werden. Es könnte die Wärmepumpe bspw. 2/3 der geforderten Heizleistung in der vordefinierten Zeitspanne bis zum Ladezeitpunkt abdecken, während der Rest von einer zusätzlichen Wärmequelle bereitgestellt wird. Ferner kann eine zusätzliche Wärmequelle der Wärmepumpe eingesetzt werden, die den Saugdruck auf das geforderte Niveau hebt, bis der Wärmeübertrager die berechnete maximale Reifmasse zum voraussichtlichen Startzeitpunkt des Ladevorgangs erreicht.
- Bei der vordefinierten Zeitspanne kann es sich beispielsweise um eine halbe Stunde, vorzugsweise eine Viertelstunde, handeln. Bspw. kann mittels des Saugdrucks ein Vereisungsgrad überwacht werden. Es kann auf Basis einer Veränderung des Vereisungsgrads mit der Zeit abgeschätzt werden, wann der maximale Vereisungsgrad und/oder vorzugsweise die maximale Taupunktunterschreitung erfolgt. Ist dieser Zeitpunkt bspw. nach dem voraussichtlichen Startzeitpunkt des nächsten Ladevorgangs, kann mittels einer Steuerung oder Regelung des Verdichters und/oder der Drossel erreicht werden, dass der Umgebungswärmeübertrager schneller vereist und somit der Zeitpunkt der maximalen Taupunktunterschreitung zeitlich nach vorne geschoben werden. Insbesondere regelt die Drossel die Effizienz des Vereisungsprozesses.
- Der Beginn des Abtauprozesses kann insbesondere dann erfolgen, sobald sich die Wärmeübertragungseffizienz stark reduziert, da dann kaum eine effiziente Wärmeaufnahme aus der Umgebung möglich ist. Beispielhaft kann der Abtauprozess eingeleitet werden, wenn ein Vereisungsgrad des Umgebungswärmeübertragers eine gewisse Schwelle überschritten hat, insbesondere wenn die maximale Reifmasse vorliegt, wobei diese rechnerisch oder mittels eines Sensors ermittelt werden kann.
- Es wird im Umgebungswärmeübertrager Wärme zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, sprich der Umgebungsluft, übertragen, während beim Heiz-Wärmeübertrager Wärme zwischen dem Kältemittel und der Luft eines Innenraumes des Kraftfahrzeuges übertragen wird. Während eines Heizbetriebs dient der Umgebungswärmeübertrager als Verdampfer und der Heiz-Wärmeübertrager als Kondensator. Während des Abtauprozesses, in anderen Worten während des Abtaubetriebs, wird der „Weg“ des Kältemittels im Vergleich zum Heizprozess insbesondere umgedreht. Während im Heizbetrieb der Umgebungswärmeübertrager als Verdampfer dient, dient er im Abtaubetrieb als Kondensator. Gleiches gilt für den Heiz-Wärmeübertrager, der im Abtaubetrieb als Verdampfer fungiert und im Heizbetrieb als Kondensator.
- Der Abtauprozess umfasst somit insbesondere ein Verdichten des Kältemittels auf einen Hochdruck mittels des Verdichters, ein Übertragen von Wärme von dem Kältemittel auf den insbesondere bereiften beziehungsweise vereisten Umgebungswärmeübertrager, ein Entspannen des Kältemittels auf einen Niederdruck mittels der Drossel und ein erneutes Aufnehmen von Wärme. Im Detail erwärmt sich das Kältemittel beim Verdichten weiter, wobei es anschließend in den Umgebungswärmeübertrager geleitet wird, an den es Wärme abgibt. Somit wird dieser enteist beziehungsweise abgetaut. In diesem Sinne wird Wärme mittels des Kältemittels an den Umgebungswärmeübertrager übertragen. Der Abtauprozess erfolgt somit über eine Prozessumkehr. Insbesondere wechseln sich beim Betreiben der Wärmepumpe Heizprozesse und Abtauprozesse zyklisch ab.
- Das Ermitteln des voraussichtlichen Startzeitpunktes des Ladevorganges berücksichtigt insbesondere einen Ladezustand der Batterie des Kraftfahrzeuges und/oder eine Reichweite des Kraftfahrzeuges und/oder eine voraussichtliche Fahrzeugbetriebsdauer. Die voraussichtliche Fahrzeugbetriebsdauer kann beispielsweise aus Nutzerdaten, wie beispielsweise Daten eines Navigationssystems, wie einer Zieleingabe, ermittelt werden.
- Zur Ermittlung der maximalen Taupunktunterschreitung wird vor allem ein Luftmassenstrom durch den Umgebungswärmeübertrager ermittelt. Hierzu kann eine Kühlerlüfterdrehzahl eines Kühlerlüfters des Kraftfahrzeuges und/oder eine Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges und/oder eine Windgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Diese können durch entsprechende Sensoren gemessen werden. Ferner kann zur Ermittlung der maximalen Taupunktunterschreitung eine Partialdruckdifferenz zwischen der Luft, mit anderen Worten der Umgebungsluft, und einer Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers ermittelt werden. Auch kann auf diese Weise die maximale Reifmasse ermittelt werden. Beispielsweise kann der Wassermassenstrom wie folgt berechnet werden.
- Dabei ist
- Desublimiert dieser bildet sich Reif auf dem Umgebungswärmeübertrager. Die Reifmasse ist das zeitliche Integral vom Beginn der Bereifung bzw. des Vereisungszyklus.
- Das Verfahren kann eine dynamische Anpassung der maximalen Taupunktunterschreitung und/oder der maximale Reifmasse umfassen. Wird beispielsweise als Wärmequelle für den Heizbetrieb die Außenluft nicht genutzt, da beispielsweise eine andere Wärmequelle, beispielsweise die Traktionskomponenten des Kraftfahrzeuges, verwendet werden, kann der Wert der Taupunktunterschreitung und/oder der maximalen Reifmasse dynamisch angepasst werden. Das Gleiche kann für den Fall gelten, dass die Außenluft und eine andere Wärmequelle, wie beispielsweise die Traktionskomponenten des Kraftfahrzeuges, genutzt werden. In anderen Worten kann eine höhere Taupunktunterschreitung und/oder eine größere Reifmasse zugelassen werden, und zwar aufgrund der anderen Nutzung der anderen Wärmequelle. Die somit zuvor bestimmte maximale Taupunktunterschreitung und/oder maximale Reifmasse kann somit den aktuellen Bedingungen angepasst bzw. korrigiert werden.
- Während des Ladevorganges kann ein Kühlerlüfter des Kraftfahrzeuges bei Außentemperaturen größer als 0 °C durchgängig betrieben werden. Auch kann, insbesondere bei Außentemperaturen kleiner als 0 °C, nach Beendigung des Ladevorgangs der Kühlerlüfter durchgängig betrieben werden. Dies dient dazu, eine möglichst lange Betriebsdauer der Wärmepumpe bei Fahrtantritt zu gewährleisten, da durch das durchgängige Betreiben des Kühlerlüfters Wasser aus dem Umgebungswärmeübertrager verdunstet werden kann, nachdem Eis bzw. Reif sublimiert ist. Rückstände von Wasser bzw. Eis führen sonst zu einem geringeren Lamellenquerschnitt, sodass der Umgebungswärmeübertrager früher verblockt. Je nach Ladedauer kann die Kühlerlüfterdrehzahl angepasst werden. Die Ladedauer kann beispielsweise aus dem Ladezustand der Batterie abgeleitet werden.
- In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Wärmepumpe, die einen Umgebungswärmeübertrager, einen Verdichter, einen Heizwärmeübertrager und eine Drossel umfasst, und die zur Durchführung eines oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist. Dafür kann die Wärmepumpe insbesondere eine Auswerteeinheit umfassen, die die oben beschriebenen Schritte des Verfahrens durchführt, sowie eine Steuereinheit, die entsprechende Steuersignale zum Betreiben der Wärmepumpe übermittelt.
-
1 zeigt in rein schematischer Darstellung ein Verfahrensschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens. -
1 zeigt ein Verfahrensschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100, das ein Ermitteln 101 eines voraussichtlichen Startzeitpunktes eines Ladevorganges einer Batterie des Kraftfahrzeuges umfasst. Ferner wird eine maximale Taupunktunterschreitung und/oder maximale Reifmasse ermittelt 103. Ferner umfasst das Verfahren das Betreiben 107 der Wärmepumpe derart, dass innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne vor dem voraussichtlichen Startzeitpunkt die maximale Taupunktunterschreitung und/oder maximale Reifmasse erreicht wird. - Zum Ermitteln des voraussichtlichen Startzeitpunktes des Ladevorganges kann ein Ladezustand und/oder eine Reichweite und/oder eine voraussichtliche Fahrzeugbetriebsdauer berücksichtigt werden 102. Zum Ermitteln der maximalen Taupunktunterschreitung und/oder der maximalen Reifmasse kann eine Partialdruckdifferenz zwischen der Luft und einer Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers und ein Luftmassenstrom durch den Umgebungswärmeübertrager ermittelt werden 104. Hierfür kann eine Kühlerlüfterdrehzahl und/oder eine Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges und/oder eine Windgeschwindigkeit berücksichtigt werden 105.
- Auf Basis der ermittelten maximalen Taupunktunterschreitung und/oder der maximalen Reifmasse kann ein minimaler Saugdruck des Kältemittels im Kältemittelkreislauf ermittelt werden 106.
- Zum Betreiben der Wärmepumpe kann der Verdichter und/oder die Drossel entsprechend gesteuert werden 108. Abhängig von den konkreten Bedingungen, beispielsweise der Nutzung einer anderen Wärmequelle als der Außenluft beim Betreiben im Heizmodus, kann die maximale Taupunktunterschreitung und/oder maximale Reifmasse dynamisch angepasst werden 109.
- Das Verfahren 100 umfasst das Einleiten 110 eines Abtauprozesses bei Erreichen der maximalen Taupunktunterschreitung und/oder der maximalen Reifmasse und/oder beim Einleiten eines Ladevorganges der Batterie. Während des Ladevorganges wird der Kühlerlüfter durchgängig betrieben 111.
- Bezugszeichenliste
-
- 100
- Verfahren
- 101
- Ermitteln eines voraussichtlichen Startzeitpunktes eines Ladevorgangs einer Batterie des Kraftfahrzeuges
- 102
- Berücksichtigung eines Ladezustands und/oder einer Reichweite und/oder einer voraussichtlichen Fahrzeugbetriebsdauer
- 103
- Ermitteln einer maximalen Taupunktunterschreitung und/oder einer maximalen Reifmasse
- 104
- Ermittlung einer Partialdruckdifferenz zwischen der Luft und einer Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers und eines Luftmassenstroms durch den Umgebungswärmeübertrager
- 105
- Berücksichtigung einer Kühlerlüfterdrehzahl und/oder einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges und/oder einer Windgeschwindigkeit
- 106
- Ermitteln einer minimalen Saugdrucks des Kältemittels im Kältemittelkreislauf auf Basis der maximalen Taupunktunterschreitung und/oder der maximalen Reifmasse
- 107
- Betreiben der Wärmepumpe derart umfasst, dass innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne vor dem voraussichtlichen Startzeitpunkt die maximale Taupunktunterschreitung und/oder maximale Reifmasse erreicht wird
- 108
- Steuerung des Verdichters und/oder der Drossel
- 109
- dynamische Anpassung der maximale Taupunktunterschreitung und/oder maximalen Reifmasse
- 110
- Einleiten eines Abtauprozesses bei Erreichen der maximalen Taupunktunterschreitung und/oder bei Erreichen der maximalen Reifmasse und/oder beim Einleiten eines Ladevorgangs der Batterie
- 111
- durchgängiges Betreiben eines Kühlerlüfters
Claims (10)
- Verfahren (100) zum Betreiben einer Wärmepumpe für ein Kraftfahrzeug, wobei die Wärmepumpe einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel umfasst, wobei die Wärmepumpe einen Umgebungswärmeübertrager, einen Verdichter, einen Heiz-Wärmeübertrager und eine Drossel umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) ein Ermitteln (101) eines voraussichtlichen Startzeitpunktes eines Ladevorgangs einer Batterie des Kraftfahrzeuges und ein Ermitteln (103) einer maximalen Taupunktunterschreitung und/oder eine maximalen Reifmasse umfasst, wobei das Verfahren (100) ferner ein Betreiben (107) der Wärmepumpe derart umfasst, dass innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne vor dem voraussichtlichen Startzeitpunkt die maximale Taupunktunterschreitung und/oder die maximale Reifmasse erreicht wird.
- Verfahren (100) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) ein Einleiten (110) eines Abtauprozesses bei Erreichen der maximalen Taupunktunterschreitung und/oder bei Erreichen der maximalen Reifmasse und/oder beim Einleiten eines Ladevorgangs der Batterie umfasst. - Verfahren (100) nach einem der
Ansprüche 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) ein Ermitteln (106) eines minimalen Saugdrucks des Kältemittels im Kältemittelkreislauf auf Basis der maximalen Taupunktunterschreitung und/oder der maximalen Reifmasse umfasst. - Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betreiben (107) der Wärmepumpe eine Steuerung (108) des Verdichters und/oder der Drossel umfasst.
- Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln (101) des voraussichtlichen Startzeitpunktes des Ladevorgangs einen Ladezustand der Batterie und/oder eine Reichweite des Kraftfahrzeuges und/oder die voraussichtliche Fahrzeugbetriebsdauer berücksichtigt (102).
- Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung (103) der maximalen Taupunktunterschreitung und/oder der maximalen Reifmasse ein Luftmassenstrom durch den Umgebungswärmeübertrager und eine Partialdruckdifferenz zwischen der Luft und einer Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers ermittelt wird (104).
- Verfahren (100) nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Luftmassenstrom eine Kühlerlüfterdrehzahl und/oder eine Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges und/oder Windgeschwindigkeit berücksichtigt wird (105). - Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Taupunktunterschreitung und/oder die maximale Reifmasse dynamisch angepasst wird (109).
- Verfahren (100) nach einem der
Ansprüche 2 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass während des Ladevorgangs bei Außentemperaturen größer als 0 °C oder nach Beendigung des Ladevorgangs ein Kühlerlüfter des Kraftfahrzeuges durchgängig betrieben wird (111). - Wärmepumpe für ein Kraftfahrzeug, wobei die Wärmepumpe einen Umgebungswärmeübertrager, einen Verdichter, einen Heiz-Wärmeübertrager und eine Drossel umfasst, und wobei die Wärmepumpe zur Durchführung eines Verfahrens (100) nach einem der
Ansprüche 1 bis9 ausgebildet ist.
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