DE102021214679A1 - Process for controlling a cycle process system and compression arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kreisprozessanlage mittels eines physikalischen Modells. Die Kreisprozessanlage enthält einen Kreislauf mit einem Arbeitsstoff, in dem mindestens eine Expansionsvorrichtung (43, 44) und mindestens eine Kompressionsvorrichtung (20) angeordnet sind, sowie mindestens einen thermischen Verbraucher und mindestens eine Wärmetransportvorrichtung (41). Das Verfahren berechnet einen Arbeitsstoffstrom in dem Kreislauf basierend auf einer thermischen Leistung des mindestens eines thermischen Verbrauchers und steuert daraufhin eine Stellgröße der Kompressionsvorrichtung (20) abhängig von dem berechneten Arbeitsstoffstrom. Zudem wird die Expansionsvorrichtung (43, 44) derart gesteuert, dass sich ein erster vorbestimmter Druck des Arbeitsstoffs an einem Austritt aus der Expansionsvorrichtung (43, 44) einstellt.The invention relates to a method for controlling a cycle process system using a physical model. The cyclic process system contains a circuit with a working substance, in which at least one expansion device (43, 44) and at least one compression device (20) are arranged, as well as at least one thermal consumer and at least one heat transport device (41). The method calculates a working substance flow in the circuit based on a thermal output of the at least one thermal consumer and then controls a manipulated variable of the compression device (20) as a function of the calculated working substance flow. In addition, the expansion device (43, 44) is controlled in such a way that a first predetermined pressure of the working substance is set at an outlet from the expansion device (43, 44).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kreisprozessanlage, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie eine Kompressionsanordnung.The present invention relates to a method for controlling a cyclic process system, a computing unit and a computer program for its implementation, and a compression arrangement.
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Eine Kältekreisprozessanlage, wie eine Wärmepumpe oder eine Klimaanlage, enthält einen Kältemittelkreislauf, in dem ein Kompressor, ein Kondensator, ein Expansionsventil und ein Verdampfer angeordnet sind. Die Steuerung der thermischen Leistung einer solchen Kältekreisprozessanlage erfolgt mittels des Expansionsventils, durch das die zu verdampfende Menge an Kältemittel in den Verdampfer gelangt. Stromabwärts des Verdampfers ist der Kompressor angeordnet, der das verdampfte Kältemittel absaugt und damit den Druck während der Verdampfung konstant hält. Der Verdampfungsdruck wird insbesondere mittels der Drehzahl des Kompressors eingestellt, der das verdampfte Kältemittel verdichtet, bevor es mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in den Kondensator gelangt, in dem es wieder verflüssigt wird.A refrigeration cycle system, such as a heat pump or an air conditioner, contains a refrigerant circuit in which a compressor, a condenser, an expansion valve and an evaporator are arranged. The control of the thermal output of such a refrigeration circuit process system is carried out by means of the expansion valve, through which the amount of refrigerant to be evaporated reaches the evaporator. The compressor is arranged downstream of the evaporator, which sucks off the evaporated refrigerant and thus keeps the pressure constant during evaporation. The evaporation pressure is set in particular by means of the speed of the compressor, which compresses the evaporated refrigerant before it reaches the condenser at increased pressure and temperature, where it is liquefied again.
Die zu verdampfende Menge an Kältemittel kann derart gesteuert werden, dass das Kältemittel am Ende des Verdampfungsvorgangs als überhitztes Gas vorliegt, um eine Schädigung des Kompressors durch flüssige Bestandteile des Kältemittels zu verhindern. In einer Kältekreisprozessanlage kann dabei die Temperatur nach dem Verdampfer die Steuer-/Regelgröße für das Expansionsventil darstellen. Gelangt mehr Kältemittel in den Verdampfer, als für die angeforderte thermische Leistung erforderlich ist, so sinkt die Temperatur, woraufhin das Expansionsventil die Kältemittelmenge reduziert, und umgekehrt.The amount of refrigerant to be evaporated can be controlled in such a way that the refrigerant is present as superheated gas at the end of the evaporation process in order to prevent damage to the compressor by liquid components of the refrigerant. In a refrigeration circuit process system, the temperature after the evaporator can represent the control/regulated variable for the expansion valve. If more refrigerant enters the evaporator than is required for the requested thermal capacity, the temperature will drop, causing the expansion valve to reduce the refrigerant charge, and vice versa.
Eine solche indirekte Steuerung/Regelung der Kältemittelmenge erfordert jedoch einen ausreichenden Sicherheitsabstand der vorgegebenen Überhitzungstemperatur (Sollwert der Überhitzungstemperatur) zu der Sättigungstemperatur des Kältemittels, der mit entsprechenden Wirkungsgradverlusten der Anlage verbunden ist.However, such an indirect control/regulation of the amount of refrigerant requires a sufficient safety margin between the specified overheating temperature (set value of the overheating temperature) and the saturation temperature of the refrigerant, which is associated with corresponding losses in efficiency of the system.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Steuerung einer Kreisprozessanlage mittels eines physikalischen Modells der Kreisprozessanlage, eine Kompressionsanordnung sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for controlling a cyclic process system using a physical model of the cyclic process system, a compression arrangement and a computing unit and a computer program for carrying out the method with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.
Die Erfindung schafft eine Steuerung einer Kältekreisprozessanlage, die den Kältemittelstrom gemäß den physikalischen Gesetzmäßigkeiten in der Anlage steuert.The invention provides a controller for a refrigeration cycle system that controls the refrigerant flow in accordance with the physical laws in the system.
Die Kreisprozessanlage enthält einen Kreislauf mit einem Arbeitsstoff wobei in dem Kreislauf mindestens eine Expansionsvorrichtung und mindestens eine Kompressionsvorrichtung angeordnet sind. Der Arbeitsstoff weist vorbestimmte thermodynamische Stoffeigenschaften, wie beispielsweise eine Siedelinie, eine Taulinie und eine latente Wärme in Abhängigkeit von Druck und Temperatur auf. Mit dem Begriff „latente Wärme“ wird die bei einem Phasenübergang aufgenommene oder abgegebene Enthalpie bezeichnet. Der Kreislauf ist vorzugsweise ein geschlossenes Leitungssystem, in dem der Arbeitsstoff zirkuliert. Im Folgenden wird dieser Kreislauf auch als Primärseite der Kreisprozessanlage bezeichnet.The cyclic process system contains a circuit with a working substance, at least one expansion device and at least one compression device being arranged in the circuit. The working substance has predetermined thermodynamic properties, such as a boiling line, a dew line and latent heat as a function of pressure and temperature. The term "latent heat" refers to the enthalpy absorbed or released during a phase transition. The cycle is preferably a closed line system in which the working substance circulates. In the following, this circuit is also referred to as the primary side of the cycle process system.
Der Arbeitsstoff liegt vor der Expansionsvorrichtung in flüssiger Form vor und wird in der Expansionsvorrichtung auf einen ersten vorbestimmten Druck entspannt. Dabei verdampft der Arbeitsstoff bei einer dem ersten vorbestimmten Druck entsprechenden Sättigungstemperatur gemäß seinen thermodynamischen Stoffeigenschaften und nimmt dabei Wärme aus der Umgebung auf. Der erste vorbestimmte Druck nach der Expansionsvorrichtung kann anhand der Dampfdruckkurve des verwendeten Arbeitsstoffs entsprechend der gewünschten Kühlleistung festgelegt werden. Beispielsweise weist das Kältemittel R134a (C2H2F4) bei einem Druck von 1 bar eine Sättigungstemperatur von -26°C auf.The working substance is in liquid form before the expansion device and is expanded in the expansion device to a first predetermined pressure. The working substance evaporates at a saturation temperature corresponding to the first predetermined pressure according to its thermodynamic material properties and in the process absorbs heat from the environment. The first predetermined pressure after the expansion device can be determined based on the vapor pressure curve of the working material used according to the desired cooling capacity. For example, the refrigerant R134a (C 2 H 2 F 4 ) has a saturation temperature of -26°C at a pressure of 1 bar.
Unter dem Begriff „Umgebung“ soll jedes Medium verstanden werden, an das Wärme aus dem Kreislauf übertragen bzw. von dem Wärme in den Kreislauf übertragen werden kann. Im Folgenden wird die „Umgebung“ auch als Sekundärseite der Kreisprozessanlage bezeichnet.The term "environment" should be understood to mean any medium to which heat can be transferred from the circuit or from which heat can be transferred into the circuit. In the following, the "environment" is also referred to as the secondary side of the cycle process system.
Der gasförmige Arbeitsstoff wird nachfolgend in der Kompressionsvorrichtung auf einen zweiten vorbestimmten Druck verdichtet, wodurch der Druck und die Temperatur des Arbeitsstoffs ansteigen. Die Temperatur des Arbeitsstoffs in dem Kreislauf nach der Kompressionsvorrichtung ist vorzugsweise höher als eine Temperatur der Sekundärseite der Kreisprozessanlage, so dass der Arbeitsstoff Wärme an diese abgibt. Fällt die Temperatur unter die Sättigungstemperatur, die bei dem erhöhten zweiten vorbestimmten Druck in Abhängigkeit von den thermodynamischen Stoffeigenschaften des Arbeitsstoffs einen höheren Wert aufweist, so kondensiert der Arbeitsstoff in dem Kreislauf und liegt vor der Expansionsvorrichtung wieder in flüssiger Form vor. Beispielsweise weist das Kältemittelmittel R124a (C2H2F4) bei einem Druck von 17 bar eine Sättigungstemperatur von 60°C auf. Dies ermöglicht die Kondensation dieses Kältemittels mit moderater Verdichtung auch bei höheren Umgebungstemperaturen.The gaseous working material is subsequently compressed in the compression device to a second predetermined pressure, thereby increasing the pressure and temperature of the working material. The temperature of the working substance in the circuit after the compression device is preferably higher than a temperature of the secondary side of the cycle process system, so that the working substance gives off heat to it. If the temperature falls below the saturation temperature, which has a higher value at the increased second predetermined pressure depending on the thermodynamic material properties of the working material, then con the working substance in the circuit densifies and is again in liquid form before the expansion device. For example, the refrigerant R124a (C 2 H 2 F 4 ) has a saturation temperature of 60° C. at a pressure of 17 bar. This allows this refrigerant to condense with moderate compression even at higher ambient temperatures.
Bevorzugt handelt es sich bei der Kreisprozessanlage um eine Wärmepumpe, die sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet werden kann. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Kreisprozessanlage um eine Klimaanlage, insbesondere um eine Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb. Vorzugsweise ist der Arbeitsstoff ein Kältemittel, wie beispielsweise R134a (C2H2F4), R 1234yf (C3H2F4), oder R744 (CO2).The cycle process system is preferably a heat pump that can be used both for cooling and for heating. The cycle process system is particularly preferably an air conditioning system, in particular an air conditioning system in a motor vehicle with an electric drive. The working substance is preferably a refrigerant, such as R134a (C 2 H 2 F 4 ), R 1234yf (C 3 H 2 F 4 ), or R744 (CO 2 ).
Die Expansionsvorrichtung kann ein Expansionsventil mit einem variablen Öffnungsquerschnitt sein. Das Expansionsventil kann mechanisch, elektrisch oder elektronisch gesteuert werden. Vorzugsweise ist die Expansionsvorrichtung ein elektronisch gesteuertes Expansionsventil mit einem variablen Öffnungsquerschnitt. Bei der Kompressionsvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen Kompressor (Verdichter) wie beispielweise ein Scroll-Verdichter, ein Flügelzellenkompressor, ein Kolbenkompressor oder ein Taumelscheibenkompressor.The expansion device may be an expansion valve with a variable opening area. The expansion valve can be controlled mechanically, electrically or electronically. Preferably, the expansion device is an electronically controlled expansion valve with a variable opening area. The compression device is preferably a compressor (compressor) such as a scroll compressor, a vane compressor, a piston compressor or a swash plate compressor.
Der Arbeitsstoff wird in dem Kreislauf in Strömungsrichtung zwischen der Expansions- und der Kompressionsvorrichtung verdampft. In diesem Bereich kann der Kreislauf beispielsweise Rohrschlingen enthalten, wodurch eine größere Oberfläche für die Wärmeübertragung von der Sekundärseite auf die Primärseite der Kreisprozessanlage bereitgestellt werden kann. Dieser Bereich des Kreislaufs wird im Folgenden als Verdampfer bezeichnet. Alternativ kann der Verdampfer auch ein separates Bauteil sein, das in Strömungsrichtung zwischen der Expansions- und der Kompressionsvorrichtung an den Kreislauf angeschlossen ist.The working substance is vaporized in the circuit downstream between the expansion and compression devices. In this area, the circuit can contain pipe loops, for example, which means that a larger surface area can be provided for heat transfer from the secondary side to the primary side of the cycle process system. This area of the circuit is referred to below as the evaporator. Alternatively, the evaporator can also be a separate component that is connected to the circuit in the direction of flow between the expansion and the compression device.
Des Weiteren wird der Arbeitsstoff in dem Kreislauf in Strömungsrichtung zwischen der Kompressions- und der Expansionsvorrichtung kondensiert. In diesem Bereich kann der Kreislauf ebenfalls Rohrschlingen enthalten, wodurch eine größere Oberfläche für die Wärmeübertragung von der Primärseite auf die Sekundärseite der Kreisprozessanlage bereitgestellt werden kann. Dieser Bereich des Kreislaufs wird im Folgenden als Kondensator bezeichnet. Alternativ kann der Kondensator auch ein separates Bauteil sein, das in Strömungsrichtung zwischen der Kompressions- und der Expansionsvorrichtung an den Kreislauf angeschlossen ist.Furthermore, the working material in the circuit is condensed in the flow direction between the compression and the expansion device. In this area, the circuit can also contain pipe loops, which means that a larger surface area can be provided for heat transfer from the primary side to the secondary side of the cycle process system. This area of the circuit is referred to below as the condenser. Alternatively, the condenser can also be a separate component which is connected to the circuit in the direction of flow between the compression and the expansion device.
Des Weiteren umfasst die Kreisprozessanlage mindestens einen thermischen Verbraucher und mindestens eine Wärmetransportvorrichtung.Furthermore, the cyclic process system comprises at least one thermal consumer and at least one heat transport device.
Unter einem thermischen Verbraucher soll ein (Raum-)Volumen und/oder eine (Bauteil-)Masse verstanden werden, aus dem/der Wärme abgeführt oder dem/der Wärme zugeführt werden soll. Dies bedeutet, dass der mindestens eine thermische Verbraucher auf der Sekundärseite der Kreisprozessanlage angeordnet ist. Vorzugsweise ist der thermische Verbraucher ein Innenraum, insbesondere ein Innenraum eines (Elektro-)Fahrzeugs, und/oder ein Bauteil, bevorzugt ein Bauteil eines Fahrzeugs, insbesondere eine Batterie, welche den Strom zum Antrieb eines Elektro-Fahrzeugs speichert.A thermal consumer should be understood to mean a (room) volume and/or a (component) mass from which heat is to be removed or to which heat is to be supplied. This means that the at least one thermal consumer is arranged on the secondary side of the cyclic process system. The thermal consumer is preferably an interior, in particular an interior of an (electric) vehicle, and/or a component, preferably a component of a vehicle, in particular a battery, which stores the electricity for driving an electric vehicle.
Beispielsweise liegt der optimale Temperaturbereich von Lithium-Ionen-Batterien, die derzeit bevorzugt in Elektro-Fahrzeugen verwendet werden, zwischen 15 °C und 35 °C, so dass die Temperierung der Batterie üblicherweise über die Anbindung an den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage des Fahrzeugs erfolgt. Dadurch ergibt sich eine Kreisprozessanlage mit zwei parallelen Teilkreisläufen, von denen einer die Innenraumtemperierung und der andere die Batterietemperierung bereitstellt.For example, the optimum temperature range for lithium-ion batteries, which are currently the preferred choice in electric vehicles, is between 15 °C and 35 °C, so that the temperature of the battery is usually controlled via the connection to the refrigerant circuit of the vehicle's air conditioning system. This results in a cycle process system with two parallel sub-cycles, one of which provides the interior temperature control and the other the battery temperature control.
Eine Wärmetransportvorrichtung soll als ein Bauteil/eine Komponente verstanden werden, das/die den Wärmetransport von der Primärseite zu der Sekundärseite der Kreisprozessanlage unterstützt. Insbesondere soll die Wärmetransportvorrichtung dazu dienen, die bei der Kondensation des Arbeitsstoffs abzuführende Wärme an ein Medium auf der Sekundärseite der Kreisprozessanlage zu übertragen. Die Wärmetransportvorrichtung kann in den Kondensator integriert sein, indem dieser beispielsweise als Arbeitsstoff-/Luft- oder als Arbeitsstoff-/Flüssigkeits-Wärmeübertrager ausgeführt ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmetransportvorrichtung einen Ventilator aufweisen, der auf der Sekundärseite der Kreisprozessanlage im Bereich des Kondensators angeordnet ist. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Wärmetransportvorrichtung um einen Kondensator, der als Arbeitsstoff-/Luftwärmetauscher ausgeführt ist und einen Ventilator aufweist.A heat transfer device should be understood as a part/component that supports the transfer of heat from the primary side to the secondary side of the cycle system. In particular, the heat transport device should serve to transfer the heat to be dissipated during the condensation of the working substance to a medium on the secondary side of the cyclic process system. The heat transport device can be integrated into the condenser, in that this is designed, for example, as a working material/air or working material/liquid heat exchanger. Alternatively or additionally, the heat transport device can have a fan which is arranged on the secondary side of the cycle process system in the area of the condenser. The heat transport device is particularly preferably a condenser which is designed as a working fluid/air heat exchanger and has a fan.
Das physikalische Modell der Kreisprozessanlage verwendet bevorzugt physikalische Modelle, die die Physik der Komponenten auf der Primärseite und der Sekundärseite der Anlage abbilden, das heißt es liegen vorzugsweise Untermodelle der mindestens einen Expansions- und Kompressionsvorrichtung, des Leitungssystems mit Verdampfer und Kondensator sowie der mindestens einen Wärmetransportvorrichtung und des mindestens einen thermischen Verbrauchers vor. Bevorzugt sind außerdem die thermodynamischen Stoffeigenschaften des Arbeitsstoffes sowie der Fluide, die zur Wärmeübertragung auf der Sekundärseite der Kreisprozessanlage genutzt werden in das physikalische Modell integriert. Somit können der Arbeitsstoffstrom in dem Kreislauf auf der Primärseite der Kreisprozessanlage, die Fluidströme auf der Sekundärseite sowie der Druck und die Temperatur an den relevanten Stellen der Kreisprozessanlage berechnet werden. Diese Größen können sowohl zur Steuerung des Systems als auch für die Bereitstellung von Sollwerten für die Steuerung/Regelung einzelner Komponenten genutzt werden. Dabei stehen im Vergleich zu bekannten Steuerungs-/Regelungsverfahren unterschiedliche Sollwerte zur Verfügung, die eine andere Regelungsstrategie und darüber hinaus zusätzliche Optimierungspotenziale ermöglichen.The physical model of the cyclic process system preferably uses physical models that depict the physics of the components on the primary side and the secondary side of the system, i.e. there are preferably sub-models of the at least one expansion and compression device, the line system with evaporator and condenser and the at least one heat transport device and the at least one thermal consumer. The thermodynamic material properties are also preferred of the working substance and the fluids that are used for heat transfer on the secondary side of the cyclic process plant are integrated into the physical model. Thus, the flow of working substance in the circuit on the primary side of the cyclic process system, the fluid flows on the secondary side and the pressure and the temperature at the relevant points of the cyclic process system can be calculated. These variables can be used both to control the system and to provide target values for the control/regulation of individual components. In comparison to known control/regulation methods, different target values are available, which enable a different control strategy and additional optimization potential.
Erfindungsgemäß wird ein Arbeitsstoffstrom in dem Kreislauf bestimmt bzw. berechnet, wobei der berechnete Arbeitsstoffstrom auf einer thermischen Leistung des mindestens einen thermischen Verbrauchers basiert. Dies bedeutet, dass ein benötigter Arbeitsstoffstrom in dem Kreislauf auf der Primärseite der Kreisprozessanlage anhand einer angeforderten thermischen Leistung eines thermischen Verbrauchers (z.B. Fahrzeuginnenraum- oder Batterietemperierung) auf der Sekundärseite der Kreisprozessanlage berechnet wird.According to the invention, a working substance flow in the circuit is determined or calculated, with the calculated working substance flow being based on a thermal output of the at least one thermal consumer. This means that a required working substance flow in the circuit on the primary side of the cycle process system is calculated based on a requested thermal output of a thermal consumer (e.g. vehicle interior or battery temperature control) on the secondary side of the cycle process system.
Bei dem Arbeitsstoffstrom kann es sich um einen Volumenstrom des Arbeitsstoffs und/oder einen Massenstrom des Arbeitsstoffs handeln. Bevorzugt ist der Arbeitsstoffstrom ein Massenstrom des Arbeitsstoffs. Unter der thermischen Leistung des thermischen Verbrauchers soll der benötigte abzuführende oder zuzuführende Wärmestrom zum Erreichen einer gewünschten Temperatur in/an dem thermischen Verbraucher verstanden werden.The flow of working substance can be a volume flow of the working substance and/or a mass flow of the working substance. The flow of working substance is preferably a mass flow of the working substance. The thermal output of the thermal load is to be understood as meaning the heat flow that is required to be removed or supplied in order to achieve a desired temperature in/at the thermal load.
Im Folgenden wird die Wirkungsweise des physikalischen Modells anhand stark vereinfachter Formeln beschrieben. Das physikalische Modell bildet zusätzlich den Wärmeübergang zwischen den einzelnen Bauteilen der Kreisprozessanlage sowie das Verhalten des Arbeitsstoffs in Abhängigkeit von seinem Aggregatzustand ab.The mode of operation of the physical model is described below using greatly simplified formulas. The physical model also depicts the heat transfer between the individual components of the cyclic process system and the behavior of the working substance depending on its physical state.
Die angeforderte thermische Leistung eines Verbrauchers auf der Sekundärseite der Kreisprozessanlage kann mittels des physikalischen Models der Kreisprozessanlage anhand der gewünschten/benötigten Ausgangstemperatur TS
Dabei bezeichnet Q̇S die thermische Leistung auf der Sekundärseite, ṁS den Massenstrom des wärmeübertragenden Fluids auf der Sekundärseite, cS die Wärmespeicherkapazität des Fluids auf der Sekundärseite und TS
Der zu verdampfende Arbeitsstoffstrom auf der Primärseite berechnet sich aus der Energieerhaltung zwischen der angeforderten thermischen Leistung Q̇S auf der Sekundärseite und der bereitzustellenden thermischen Leistung Q̇Pv auf der Primärseite.The working substance flow to be evaporated on the primary side is calculated from the energy conservation between the required thermal output Q̇ S on the secondary side and the thermal output Q̇ Pv to be provided on the primary side.
Die thermische Leistung Q̇Pv auf der Primärseite beträgt gemäß Formel (2):
Mit Q̇S = Q̇P folgt somit für den zu verdampfenden Arbeitsstoffmassenstrom ṁPv auf der Primärseite unter Vernachlässigung von Wärmeübergangsverlusten und phasenabhängiger Änderung des Temperaturverhaltens des Arbeitsstoffs:
Abhängig von dem berechneten Arbeitsstoffstrom
Bei der Stellgröße der Kompressionsvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Drehzahl eines Kompressors, die mittels Pulsbreitenmodulation oder über ein Datenbussystem (z.B. über Local Interconnect Network (LIN)) gemäß der Kennlinie des Kompressors von einer Recheneinheit gesteuert wird.The manipulated variable of the compression device is preferably a speed of a compressor, which is controlled by a computing unit by means of pulse width modulation or via a data bus system (e.g. via Local Interconnect Network (LIN)) according to the characteristic curve of the compressor.
Des Weiteren wird die Expansionsvorrichtung derart gesteuert, dass sich ein erster vorbestimmter Druck des Arbeitsstoffs an einem Austritt aus der Expansionsvorrichtung einstellt. Unter dem Austritt aus der Expansionsvorrichtung soll dabei insbesondere der Austritt aus dem Verdampfer verstanden sein. Gemäß den thermodynamischen Stoffeigenschaften des Arbeitsstoffs stellt sich durch die Steuerung der Expansionsvorrichtung auf den ersten vorbestimmten Druck eine zugehörige Sättigungstemperatur ein.Furthermore, the expansion device is controlled in such a way that a first predetermined pressure of the working substance is established at an outlet from the expansion device. Under the exit from the expansion device should ins be understood especially the exit from the evaporator. In accordance with the thermodynamic material properties of the working substance, an associated saturation temperature is set by controlling the expansion device at the first predetermined pressure.
Der erste vorbestimmte Druck wird vorzugsweise anhand der Randbedingungen der Kreisprozessanlage (Umgebungsbedingungen, Arbeitsstoff) und der Anforderungen der thermischen Verbraucher gewählt. Beispielsweise darf der erste vorbestimmte Druck nicht zu niedrig gewählt werden, um eine Vereisung des Verdampfers zu vermeiden. Andererseits darf der Druck im Falle einer Klimaanlage für einen Fahrzeuginnenraum auch nicht zu hoch gewählt werden, um z.B. Geruchsprobleme zu vermeiden. Daher kann das Druckniveau nach der Expansionsvorrichtung für die verschiedenen Anwendungsfälle unterschiedlich eingestellt werden.The first predetermined pressure is preferably selected on the basis of the boundary conditions of the cyclic process system (ambient conditions, working material) and the requirements of the thermal consumers. For example, the first predetermined pressure must not be chosen too low in order to avoid icing of the evaporator. On the other hand, in the case of an air conditioning system for a vehicle interior, the pressure selected must not be too high either, in order to avoid odor problems, for example. Therefore, the pressure level after the expansion device can be set differently for the different applications.
Bevorzugt werden ein Öffnungsquerschnitt und/oder eine Öffnungsdauer eines Expansionsventils abhängig von dem ersten vorbestimmten Druck am Austritt aus der Expansionsvorrichtung gesteuert. Dabei kann der Druck mittels des physikalischen Modells bestimmt werden, und das Expansionsventil derart angesteuert werden, dass sich ein Öffnungsquerschnitt und/oder eine Öffnungsdauer einstellen, womit der erste vorbestimmte Druck erreicht wird. Bevorzugt handelt es sich bei dem Expansionsventil um ein Ventil, bei dem der Öffnungsquerschnitt über eine entsprechende Ventilposition eingestellt wird, z.B. mit einem LIN-Bus-Anschluss.An opening cross section and/or an opening duration of an expansion valve are preferably controlled as a function of the first predetermined pressure at the outlet from the expansion device. The pressure can be determined by means of the physical model and the expansion valve can be controlled in such a way that an opening cross section and/or an opening duration are established, with which the first predetermined pressure is reached. The expansion valve is preferably a valve in which the opening cross section is set via a corresponding valve position, e.g. with a LIN bus connection.
Die beschriebene physikalisch basierte Steuerung der Kreisprozessanlage ermöglicht eine einfachere und präzisere Einstellung der Überhitzungstemperatur des Arbeitsstoffstroms am Eingang der Kompressionsvorrichtung. Infolgedessen kann die Überhitzungstemperatur kleiner gewählt werden, wodurch die Effizienz der Kreisprozessanlage verbessert wird. Des Weiteren reduziert die erfindungsgemäße Steuerung Verluste in der Kompressionsvorrichtung sowie Schwankungen in deren Stellgröße, so dass Geräusch- und Vibrationsprobleme während des Betriebs der Kreisprozessanlage vermieden werden können.The described physically based control of the cyclic process system enables a simpler and more precise adjustment of the overheating temperature of the working substance flow at the inlet of the compression device. As a result, the superheat temperature can be selected to be smaller, which improves the efficiency of the cyclic process plant. Furthermore, the control according to the invention reduces losses in the compression device and fluctuations in its manipulated variable, so that noise and vibration problems can be avoided during operation of the cyclic process system.
Bevorzugt wird bei der Berechnung des Arbeitsstoffstroms eine erste vorbestimmte Temperatur des Arbeitsstoffs an einem Eintritt in die Kompressionsvorrichtung berücksichtigt. Mit anderen Worten wird der Arbeitsstoff bevorzugt nach der Verdampfung auf die erste vorbestimmte Temperatur überhitzt, um eine Schädigung der Kompressionsvorrichtung durch flüssige Bestandteile des Kältemittels zu verhindern. Die benötigte Änderung der Enthalpie
Vorzugsweise wird zudem eine thermische Leistung zur Kondensation des Arbeitsstoffs in dem Kreislauf nach einem Austritt aus der Kompressionsvorrichtung berechnet. Diese Berechnung erfolgt basierend auf einem zweiten vorbestimmten Druck des Arbeitsstoffs und dem berechneten Arbeitsstoffstrom. Der zweite vorbestimmte Druck entspricht dem Druck nach der Kompressionsvorrichtung und ergibt sich aus der Drehzahl.In addition, a thermal output for condensing the working substance in the circuit after it has exited the compression device is preferably calculated. This calculation is based on a second predetermined pressure of the working substance and the calculated working substance flow. The second predetermined pressure corresponds to the pressure after the compression device and results from the speed.
Da die Temperatur des Arbeitsstoffs nach der Kompression höher als die Sättigungstemperatur ist, muss der Arbeitsstoff zunächst auf die Sättigungstemperatur abgekühlt werden. Somit ist die aus dem Arbeitsstoff abzuführende Enthalpie
Die abzuführende thermischen Leistung Q̇Pk zur Kondensation des Arbeitsstoffs in dem Kreislauf nach einem Austritt aus der Kompressionsvorrichtung berechnet sich somit zu
Dabei bezeichnet QPk die zur Kondensation des Arbeitsstoffs benötigte thermische Leistung,
Basierend auf der berechneten thermischen Leistung QPk zur Kondensation des Arbeitsstoffs wird vorzugsweise nachfolgend ein Fluidstrom durch die Wärmetransportvorrichtung mittels des physikalischen Modells der Kreisprozessanlage berechnet, in Abhängigkeit von welchem eine Stellgröße der Wärmetransportvorrichtung gesteuert wird.Based on the calculated thermal power Q Pk for condensing the working substance, a fluid flow through the heat transport device is then preferably calculated using the physical model of the cycle process system, depending on which a manipulated variable of the heat transport device is controlled.
Gemäß der Energieerhaltung zwischen Primär- und Sekundärseite der Kreisprozessanlage berechnet sich der Fluidstrom
Bei der Stellgröße der Wärmetransportvorrichtung kann es sich, z.B. bei Verwendung eines Arbeitsstrom-/Luftwärmeübertragers, um die Drehzahl eines Ventilators handeln, die proportional zu dem Fluidmassenstrom ist und daher sehr leicht abhängig von diesem gesteuert werden kann.The manipulated variable of the heat transport device can be, e.g. when using a working flow/air heat exchanger, the speed of a fan, which is proportional to the fluid mass flow and can therefore be controlled very easily as a function of this.
Besonders bevorzugt wird bei der Berechnung des Fluidstroms durch die Wärmetransportvorrichtung eine zweite vorbestimmte Temperatur des Arbeitsstoffs an einem Eintritt in die Expansionsvorrichtung berücksichtigt. Mit anderen Worten wird der Arbeitsstoff nach der Kondensation auf eine zweite vorbestimmte Temperatur unterkühlt, um sicherzustellen, dass sich keine Dampfblasen vor der Expansionsvorrichtung bilden. Die benötigte Änderung der Enthalpie
Die Berechnung eines erforderlichen Fluidstroms auf der Sekundärseite der Kreisprozessanlage zur Abkühlung des Arbeitsstoffs auf ein gewünschtes Temperaturniveau vor der Expansionsvorrichtung ermöglicht eine Optimierung der Wärmeabführung über die Wärmetransportvorrichtung und damit eine Steigerung der Leistung der Kreisprozessanlage.The calculation of a required fluid flow on the secondary side of the cyclic process system for cooling the working substance to a desired temperature level before the expansion device enables optimization of the heat dissipation via the heat transport device and thus an increase in the performance of the cyclic process system.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Kreislauf auf der Primärseite der Kreisprozessanlage einen ersten Teilkreislauf mit einer ersten Expansionsvorrichtung für einen ersten Verbraucher auf der Sekundärseite der Kreisprozessanlage und einen zweiten Teilkreislauf mit einer zweiten Expansionsvorrichtung für einen zweiten Verbraucher auf der Sekundärseite der Kreisprozessanlage. Besonders bevorzugt sind die Teilkreisläufe parallel zueinander angeordnet und münden vor der Kompressionsvorrichtung in eine gemeinsame Leitung.According to a preferred embodiment, the circuit on the primary side of the cyclic process plant contains a first sub-circuit with a first expansion device for a first consumer on the secondary side of the cyclic process plant and a second sub-circuit with a second expansion device for a second consumer on the secondary side of the cyclic process plant. The partial circuits are particularly preferably arranged parallel to one another and open into a common line upstream of the compression device.
Diese Ausführungsform kann beispielsweise zum Einsatz kommen, wenn wie vorstehend beschrieben, die Klimaanlage eines Elektrofahrzeugs neben der Temperierung des Fahrzeuginnenraums auch zur Temperierung der Batterie eingesetzt wird. Dabei wird zunächst ein erster Arbeitsstoffstrom in dem ersten Teilkreislauf basierend auf einer thermischen Leistung des ersten Verbrauchers berechnet. Dann erfolgt eine Berechnung eines zweiten Arbeitsstoffstroms in dem zweiten Teilkreislauf basierend auf einer thermischen Leistung des zweiten Verbrauchers. Die Berechnung der einzelnen Arbeitsstoffteilströme erfolgt in gleicher Weise wie vorstehend für einen einzigen Verbraucher beschrieben. Durch die Berechnung der einzelnen Arbeitsstoffteilströme ist die erforderliche Überhitzungstemperatur am Eintritt in die Kompressionsvorrichtung auch bei zwei parallelen thermischen Verbrauchern sichergestellt.This embodiment can be used, for example, when, as described above, the air conditioning system of an electric vehicle is used not only to control the temperature of the vehicle interior but also to control the temperature of the battery. In this case, a first flow of working substance is initially calculated in the first partial circuit based on a thermal output of the first consumer. A second working substance flow is then calculated in the second partial circuit based on a thermal output of the second consumer. The calculation of the individual partial flows of working material is carried out in the same way as described above for a single consumer. The calculation of the individual partial flows of working material ensures that the required superheating temperature at the entry into the compression device is also ensured with two parallel thermal consumers.
Aus der Summe des ersten und zweiten Arbeitsstoffstroms wird der gesamte Arbeitsstoffstrom in dem Kreislauf berechnet, anhand dessen die Stellgröße der Kompressionsvorrichtung gesteuert wird. Dies bedeutet, dass die Steuerung der Kompressionsvorrichtung in gleicher Weise wie für einen einzigen Verbraucher erfolgen kann.The total working substance flow in the circuit is calculated from the sum of the first and second working substance flow and is used to control the manipulated variable of the compression device. This means that the compression device can be controlled in the same way as for a single consumer.
Die erste Expansionsvorrichtung wird bevorzugt derart gesteuert, dass sich ein erster vorbestimmter Druck des Arbeitsstoffs an einem Austritt aus der ersten Expansionsvorrichtung einstellt. Dieser Druck kann dabei je nach dem Betriebsmodus der Kreisprozessanlage gewählt werden. Für den Fall, dass die Batterie den ersten Verbraucher darstellt, kann der erste vorbestimmte Druck beispielsweise nur gemäß den Anforderungen an die Temperierung der Batterie gewählt werden, wenn keine Fahrzeuginnenraumtemperierung angefordert wird. Sind beide thermischen Verbraucher aktiv, muss der Druck gemäß den Anforderungen beider Verbraucher gewählt werden. Die Steuerung des ersten vorbestimmten Drucks gemäß den Anforderungen für beide Verbraucher erfolgt bevorzugt über die erste Expansionsvorrichtung, d.h. dieser liegt auch nach der zweiten Expansionsvorrichtung vor.The first expansion device is preferably controlled in such a way that a first predetermined pressure of the working substance is established at an outlet from the first expansion device. This pressure can be selected depending on the operating mode of the cyclic process system. In the event that the battery represents the first consumer, the first predetermined pressure can be selected, for example, only according to the requirements for temperature control of the battery if no vehicle interior temperature control is required. If both thermal consumers are active, the pressure must be selected according to the requirements of both consumers. The control of the first predetermined pressure according to the requirements for both consumers is preferably carried out via the first expansion device, i.e. it is also present after the second expansion device.
Vorzugsweise erfolgt die Steuerung der zweiten Expansionsvorrichtung abhängig von dem berechneten Arbeitsstoffstrom in dem zweiten Teilkreislauf und dem ersten vorbestimmten Druck des Arbeitsstoffs an dem Austritt aus der ersten Expansionsvorrichtung. Mit anderen Worten ist der Druck nach der zweiten Expansionsvorrichtung durch die Steuerung der ersten Expansionsvorrichtung vorgegeben, so dass mit dem Öffnungsquerschnitt/der Öffnungsdauer der zweiten Expansionsvorrichtung der Teilarbeitsstoffstrom durch den zweiten Teilkreislauf eingestellt werden kann. Da die Kompressionsvorrichtung den erforderlichen gesamten Arbeitsstoffstrom für beide Teilkreisläufe bereitstellt, ergibt sich automatisch der geforderte Arbeitsstoffstrom für den ersten Teilkreislauf. Dies ermöglicht eine verbesserte Steuerung des Drucks nach der Expansionsvorrichtung im Fall von zwei parallelen Arbeitsstoffstromkreisläufen im Vergleich zu einer Steuerung des Drucks mittels der Kompressionsvorrichtung.The second expansion device is preferably controlled as a function of the calculated flow of working substance in the second partial circuit and the first predetermined pressure of the working substance at the outlet from the first expansion device. In other words, the pressure downstream of the second expansion device is predetermined by the control of the first expansion device, so that the partial working substance flow through the second partial circuit can be adjusted with the opening cross section/opening duration of the second expansion device. Since the compression device requires all the working substance current for both sub-cycles, the required flow of working material for the first sub-cycle results automatically. This enables improved control of the pressure after the expansion device in the case of two parallel working fluid circuits compared to control of the pressure by means of the compression device.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein (Ist-)Arbeitsstoffstrom in dem Kreislauf ermittelt und der ermittelte Arbeitsstoffstrom mit dem berechneten Arbeitsstoffstrom verglichen. Die Stellgröße der Kompressionsvorrichtung wird dann basierend auf einer Differenz zwischen dem ermittelten und dem berechneten Arbeitsstoffstrom eingestellt bzw. gesteuert. Bevorzugt wird die Stellgröße der Kompressionsvorrichtung so eingestellt, dass der ermittelte Arbeitsstoffstrom dem berechneten entspricht. Gemäß einer Ausführungsform wird der Arbeitsstoffstrom an einer ersten vorbestimmten Position in dem Kreislauf mittels eines Durchflusssensors gemessen. Alternativ oder zusätzlich kann der Arbeitsstoffstrom anhand einer gemessenen Temperatur am Eingang in die Kompressionsvorrichtung und/oder eines gemessenen Drucks nach der Kompressionsvorrichtung abgeschätzt werden.According to a preferred embodiment, an (actual) working material flow is determined in the circuit and the working material flow determined is compared with the calculated working material flow. The manipulated variable of the compression device is then adjusted or controlled based on a difference between the determined and the calculated working substance flow. The manipulated variable of the compression device is preferably set in such a way that the determined working substance flow corresponds to the calculated one. According to one embodiment, the working substance flow is measured at a first predetermined position in the circuit using a flow sensor. Alternatively or additionally, the working substance flow can be estimated based on a measured temperature at the entrance to the compression device and/or a measured pressure after the compression device.
Vorzugsweise ist die Kompressionsvorrichtung selbst mit dem Durchflusssensor ausgestattet. Alternativ oder zusätzlich kann sich die vorbestimmte Position des Durchflusssensors zwischen der Expansionsvorrichtung und der Kompressionsvorrichtung befinden. Besonders bevorzugt ist der Durchflusssensor in letzterem Fall in einem vorbestimmten Abstand vor dem Eintritt in die Kompressionsvorrichtung angeordnet, um Messfehler beispielsweise durch Rückströmungen zu vermeiden. Es kann ein Volumenstromsensor oder einen Massenstromsensor zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugt wird ein Massenstromsensor eingesetzt.Preferably, the compression device itself is equipped with the flow sensor. Alternatively or additionally, the predetermined position of the flow sensor may be between the expansion device and the compression device. In the latter case, the flow sensor is particularly preferably arranged at a predetermined distance from the entry into the compression device in order to avoid measurement errors, for example due to backflows. A volume flow sensor or a mass flow sensor can be used. A mass flow sensor is particularly preferably used.
Die Steuerung der Stellgröße der Kompressionsvorrichtung basierend auf dem gemessenen Arbeitsstoffstrom bietet den Vorteil, dass Abweichungen zwischen dem physikalischen Modell der Kreisprozessanlage und der realen Anlage ausgeglichen werden können. Somit kann beispielsweise auf alterungsbedingte Veränderungen in der Anlage reagiert werden.Controlling the manipulated variable of the compression device based on the measured flow of working substance offers the advantage that deviations between the physical model of the cyclic process system and the real system can be compensated for. Thus, for example, it is possible to react to age-related changes in the system.
Bei der Stellgröße der Kompressionsvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Drehzahl eines Kompressors, die mittels Pulsbreitenmodulation oder über ein Datenbussystem (z.B. über Local Interconnect Network (LIN)) gemäß der Kennlinie des Kompressors von einer Recheneinheit gesteuert wird.The manipulated variable of the compression device is preferably a speed of a compressor, which is controlled by a computing unit by means of pulse width modulation or via a data bus system (e.g. via Local Interconnect Network (LIN)) according to the characteristic curve of the compressor.
Vorzugsweise ist die Kompressionsvorrichtung selbst mit einer Recheneinheit ausgestattet, welche die Werte des berechneten und gemessenen Arbeitsstoffstroms empfängt und anhand der empfangenen Werte die Stellgröße steuert. In dieser Recheneinheit können zusätzliche Kenngrößen der Kompressionsvorrichtung wie Minimal- und Maximalwerte der Stellgröße und/oder Leistungsgrenzen der Kompressionsvorrichtung abgespeichert sein, die bei der Regelung berücksichtigt werden können. Eine entsprechende Kompressionsanordnung mit einer Kompressionsvorrichtung (bzw. allgemein einer Pumpe), einer Recheneinheit und einem Durchflusssensor ist auch selbst Gegenstand der Erfindung.The compression device itself is preferably equipped with a computing unit which receives the values of the calculated and measured working substance flow and controls the manipulated variable on the basis of the received values. Additional parameters of the compression device, such as minimum and maximum values of the manipulated variable and/or power limits of the compression device, can be stored in this arithmetic unit, which can be taken into account in the regulation. A corresponding compression arrangement with a compression device (or generally a pump), a computing unit and a flow sensor is also itself the subject of the invention.
Vorzugsweise wird zudem ein Druck des Arbeitsstoffs an einer zweiten vorbestimmten Position in dem Kreislauf mittels eines Drucksensors gemessen. Die vorbestimmte Position des Drucksensors in dem Kreislauf befindet sich bevorzugt stromabwärts des Verdampfers, zwischen dem Verdampfer und der Kompressionsvorrichtung. Besonders bevorzugt befindet sich der Drucksensor direkt nach dem Verdampfer.In addition, a pressure of the working substance is preferably measured at a second predetermined position in the circuit by means of a pressure sensor. The predetermined position of the pressure sensor in the circuit is preferably downstream of the evaporator, between the evaporator and the compression device. The pressure sensor is particularly preferably located directly after the evaporator.
Der gemessene Arbeitsstoffdruck wird mit dem ersten vorbestimmten Druck des Arbeitsstoffs an dem Austritt aus der Expansionsvorrichtung verglichen und das mindestens eine Expansionsventils basierend auf einer Differenz zwischen dem gemessenen Arbeitsstoffdruck und dem ersten vorbestimmten Druck gesteuert.The measured working fluid pressure is compared to the first predetermined pressure of working fluid at the outlet of the expansion device and the at least one expansion valve is controlled based on a difference between the measured working fluid pressure and the first predetermined pressure.
Bevorzugt werden dabei der Öffnungsquerschnitt und/oder die Öffnungsdauer des Expansionsventils derart gesteuert, dass der reale Arbeitsstoffdruck dem ersten vorbestimmten Druck an dem Austritt aus der Expansionsvorrichtung entspricht. Je nach Abstand der Drucksensorposition von dem Austritt aus der Expansionsvorrichtung können dabei Druckverluste in der Leitung berücksichtigt werden, so dass der gemessene Arbeitsstoffdruck auch auf einen von dem ersten vorbestimmten Druck verschiedenen Wert geregelt werden kann.The opening cross section and/or the opening duration of the expansion valve are preferably controlled in such a way that the actual working fluid pressure corresponds to the first predetermined pressure at the outlet from the expansion device. Depending on the distance between the pressure sensor position and the outlet from the expansion device, pressure losses in the line can be taken into account, so that the measured working substance pressure can also be regulated to a value that differs from the first predetermined pressure.
Bevorzugt wird zusätzlich eine Temperatur des Arbeitsstoffs an einer dritten vorbestimmten Position in dem Kreislauf mittels eines Temperatursensors gemessen. Die vorbestimmte Position des Temperatursensors befindet sich bevorzugt stromabwärts des Kondensators, zwischen dem Kondensator und der mindestens einen Expansionsvorrichtung. Besonders bevorzugt befindet sich der Temperatursensor direkt vor der Expansionsvorrichtung.In addition, a temperature of the working substance is preferably measured at a third predetermined position in the circuit by means of a temperature sensor. The predetermined position of the temperature sensor is preferably downstream of the condenser, between the condenser and the at least one expansion device. The temperature sensor is particularly preferably located directly in front of the expansion device.
Die gemessene Temperatur wird dann mit der vorbestimmten Temperatur des Arbeitsstoffs an dem Eintritt in die Expansionsvorrichtung verglichen und die Stellgröße der Wärmetransportvorrichtung basierend auf einer Differenz zwischen der gemessenen Arbeitsstofftemperatur und der vorbestimmten Temperatur gesteuert. Je nach Abstand der Temperatursensorposition von dem Eintritt in die Expansionsvorrichtung können dabei Temperaturverluste in der Leitung berücksichtigt werden, so dass die gemessene Arbeitsstofftemperatur auch auf einen von der vorbestimmten Temperatur verschiedenen Wert geregelt werden kann.The measured temperature is then compared to the predetermined temperature of the working fluid at the entrance to the expansion device and the manipulated variable of the heat transport device based on a difference between the measured sen working temperature and the predetermined temperature controlled. Depending on the distance between the temperature sensor position and the entry into the expansion device, temperature losses in the line can be taken into account, so that the measured working fluid temperature can also be regulated to a value that differs from the predetermined temperature.
Durch die Regelung des Drucks und der Temperatur des Arbeitsstoffs können Abweichungen der realen Kreisprozessanlage von dem physikalischen Modell, die beispielsweise infolge von Alterungsprozessen in der Anlage auftreten können, ausgeglichen werden. Dies ermöglicht eine verbesserte Genauigkeit der Kreisprozesssteuerung auch bei höherer Laufzeit der Anlage.By controlling the pressure and temperature of the working substance, deviations in the real cycle process system from the physical model, which can occur in the system as a result of aging processes, for example, can be compensated for. This enables an improved accuracy of the cycle process control even with a longer running time of the plant.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, e.g. a control unit of a motor vehicle, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for carrying out all method steps is advantageous because this causes particularly low costs, especially if an executing control device is also used for other tasks and is therefore available anyway. Finally, a machine-readable storage medium is provided with a computer program stored thereon as described above. Suitable storage media or data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical storage devices such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.). Such a download can be wired or wired or wireless (e.g. via a WLAN network, a 3G, 4G, 5G or 6G connection, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den nachfolgenden Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically using an exemplary embodiment in the following drawings and is described below with reference to the drawing.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Kältekreisprozessanlage, die eine Kompressionsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält, und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des beanspruchten Verfahrens gesteuert/geregelt werden kann.1 Figure 12 shows schematically an example of a refrigeration cycle plant including a compression arrangement according to a preferred embodiment of the invention, and which can be controlled according to a preferred embodiment of the claimed method.
Ausführungsform(en) der Erfindungembodiment(s) of the invention
In
Der erste Teilkreislauf 450 mit dem ersten Verdampfer 60 dient zur Temperierung einer Traktionsbatterie (nicht dargestellt) des Elektro-Fahrzeugs. Dazu ist auf der Sekundärseite des ersten Verdampfers 60 ein Arbeitsstoff-/ Flüssigkeitswärmeübertrager (durch die Pfeile 61 angedeutet) angeordnet, der beispielsweise Kühlflüssigkeit zu einer an der Batterie angeschlossenen Kühlplatte (nicht dargestellt) leitet. Der zweite Teilkreislauf 451 mit dem zweiten Verdampfer 50 ist zur Temperierung des Fahrzeuginnenraums (nicht dargestellt) vorgesehen. Dazu ist auf der Sekundärseite des zweiten Verdampfers 50 ein Ventilator 51 angeordnet, der die abgekühlte Luft auf der Sekundärseite des zweiten Verdampfers 50 in den Fahrzeuginnenraum leitet. Die beiden Teilkreisläufe münden in die gemeinsame Leitung 500, in der ein Drucksensor zur Überwachung/Messung eines ersten vorbestimmten Drucks des Kältemittels am Ausgang der Verdampfer 50, 60 angeordnet ist. Über die Leitung 500 wird das gasförmige Kältemittel über den Akkumulator 70 dem Kompressor 20 zugeführt. In dem Akkumulator 70 können etwaige flüssige Bestandteile des Kältemittels abgeschieden werden.The first
Basierend auf der angeforderten thermischen Leistung der beiden an die Teilkreisläufe 450, 451 angeschlossenen thermischen Verbraucher wird der in den einzelnen Teilkreisläufen benötigte Kältemittelmassenstrom insbesondere gemäß Formel (3) oder (4) berechnet. Aus der Summe des ersten und zweiten Kältemittelmassenstroms wird der gesamte Kältemittelmassenstrom in dem Kältemittelkreislauf berechnet, anhand dessen die Drehzahl des Kompressors 20 gesteuert wird.Based on the required thermal output of the two thermal consumers connected to the
In dem dargestellten Kältemittelkreislauf stellt die Traktionsbatterie des Fahrzeugs, die kontinuierlich temperiert werden muss, den ersten thermischen Verbraucher dar. Die Temperierung des Fahrzeuginnenraums, die den zweiten thermischen Verbraucher darstellt, wird hingegen nur bei Bedarf zugeschaltet. Somit wird ein erster vorbestimmter Druck nach den beiden Verdampfern 50, 60 gemäß den Anforderungen der Batterie eingestellt, solange keine zusätzliche Temperierung des Fahrzeuginnenraums angefordert wird. Sind beide thermischen Verbraucher aktiv, muss der Druck nach dem Verdampfer gemäß der Anforderungen beider Verbraucher gewählt werden.In the refrigerant circuit shown, the traction battery of the vehicle, which has to be continuously temperature-controlled, represents the first thermal consumer. The temperature control of the vehicle interior, which represents the second thermal consumer, is only switched on when required. A first predetermined pressure is thus set after the two
Das erste Expansionsventil 44 wird bevorzugt derart gesteuert, dass sich der erste vorbestimmte Druck des Arbeitsstoffs nach dem Verdampfer 60 einstellt. Dieser Druck liegt dann aufgrund der parallelen Anordnung der Teilkreisläufe auch nach dem zweiten Expansionsventil 43 vor. Mit anderen Worten ist der Druck nach dem zweiten Expansionsventil 43 durch die Steuerung der ersten Expansionsventils 44 vorgegeben, so dass über einen Öffnungsquerschnitt/eine Öffnungsdauer des zweiten Expansionsventils 43 der Teilkältemittelstrom durch den zweiten Teilkreislauf 451 eingestellt werden kann. Da der Kompressor 20 den erforderlichen gesamten Kältemittelstrom für beide Teilkreisläufe 450, 451 bereitstellt, ergibt sich automatisch der erforderliche Kältemittelstrom für den ersten Teilkreislauf 450. Dies ermöglicht eine verbesserte Steuerung des Drucks nach den Verdampfern 50, 60 im Fall von zwei parallelen Kältemittelkreisläufen 450, 451 im Vergleich zu einer Steuerung des Drucks mittels des Kompressors 20.The
Der Kompressor 20 verdichtet das Kältemittel auf einen zweiten vorbestimmten Druck und fördert es über eine Leitung 200 zu einem Kondensator 40. Der Kondensator 40 weist einen Ventilator 41 auf, mit dem ein Luftmassenstrom auf der Sekundärseite des Kondensators gesteuert werden kann. Der zweite vorbestimmte Druck wird dabei vorzugsweise derart gewählt, dass die zugehörige Sättigungstemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. In dem Kondensator wird das verdichtete Kältemittel zunächst auf die Sättigungstemperatur abgekühlt und nachfolgend verflüssigt.The
Die benötigte thermische Leistung zur Kondensation des Kältemittels wird aus der abzuführenden Enthalpie bei dem zweiten vorbestimmten Druck und dem Kältemittelmassenstrom in dem Kreislauf gemäß Formel (5) berechnet. Basierend auf der berechneten thermischen Leistung des Kondensators wird nachfolgend der Luftmassenstrom auf der Sekundärseite des Kondensators gemäß den Formeln (6) oder (7) ermittelt, anhand dessen die Drehzahl des Ventilators 42 gesteuert wird, um den benötigten Wärmetransport bereitzustellen.The required thermal power for condensing the refrigerant is calculated from the enthalpy to be dissipated at the second predetermined pressure and the refrigerant mass flow in the circuit according to formula (5). Based on the calculated thermal output of the condenser, the air mass flow on the secondary side of the condenser is then determined according to formula (6) or (7), using which the speed of
Über die Leitung 400, 450 wird das verflüssigte Kältemittel dann erneut den Expansionsventilen 43, 44 zugeführt. Vor den Expansionsventilen 43, 44 ist ein Temperatursensor 42 angeordnet, mit dem die Unterkühlungstemperatur des Kältemittels überwacht/gemessen werden kann.The liquefied refrigerant is then fed back to the
Die dargestellte Klimaanlage für ein Elektro-Fahrzeug umfasst ferner eine Recheneinheit 10 zur Steuerung der einzelnen Komponenten der Klimaanlage. In der Recheneinheit 10 ist ein physikalisches Modell der Klimaanlage gespeichert ist, mit dem die beschriebenen Berechnungen vorgenommen werden können. Die Recheneinheit 10 erhält die Signale des Durchflusssensors 22, des Temperatursensors 42 und des Drucksensors 62, zur Regelung der jeweiligen Größen basierend auf den zugehörigen Sollwerten, die anhand des physikalischen Modells ermittelt wurden. Des Weiteren ist die Recheneinheit 10 elektrisch mit der Kompressorsteuereinheit 21, den Ventilatoren 41, 51 und den Expansionsventilen 43, 44 verbunden, um die Steuerung der Klimaanlage mittels der Stellgrößen der betreffenden Komponenten vornehmen zu können.The air conditioning system shown for an electric vehicle also includes a
Insbesondere kann ein Datenaustausch zwischen der Recheneinheit 10 und der Kompressorsteuereinheit 21 zur Regelung des Kältemittelmassenflusses stattfinden. Der Datenaustausch kann beispielsweise über ein Datenbussystem (z.B. über Local Interconnect Network (LIN)) erfolgen. Dabei sendet die Recheneinheit 10 zunächst den, anhand des physikalischen Modells ermittelten, erforderlichen Kältemittelmassenstrom (Soll-Massenstrom) an die Kompressorsteuereinheit 21. Diese empfängt neben dem Soll-Massenstrom zusätzlich das Durchflusssignal des Durchflusssensors 22, berechnet die Differenz zwischen dem Soll- und dem Ist-Massenstrom und stellt die Drehzahl des Kompressors 20 basierend auf der berechneten Massenstromdifferenz ein. Dies hat den Vorteil, dass in der Kompressorsteuereinheit 21 zusätzliche Kenngrößen, wie die Minimal- oder Maximaldrehzahl, die maximal zulässige Temperatur und/oder die Maximalleistung des Kompressors 20, gespeichert sein können, welche die Kompressorsteuereinheit 21 bei der Regelung berücksichtigen kann.In particular, a data exchange can take place between the
Alternativ oder zusätzlich kann die Recheneinheit 10 das Signal des Durchflusssensors 22 empfangen, die Kältemittelmassenstromdifferenz berechnen und diese an die Kompressorsteuereinheit 21 senden. Diese kann dann die benötigte Kompressordrehzahl anhand der empfangenen Massenstromdifferenz einstellen.As an alternative or in addition, the
Die beschriebene physikalisch basierte Steuerung der Kreisprozessanlage ermöglicht eine einfachere und präzisere Einstellung der Überhitzungstemperatur des Arbeitsstoffstroms am Eingang der Kompressionsvorrichtung. Infolgedessen kann die Überhitzungstemperatur kleiner gewählt werden, wodurch die Effizienz der Kreisprozessanlage verbessert wird. Des Weiteren reduziert die erfindungsgemäße Steuerung Schwankungen in der Stellgröße der Kompressionsvorrichtung, so dass Geräusch- und Vibrationsprobleme während des Betriebs der Kreisprozessanlage vermieden werden können.The described physically based control of the cyclic process system enables a simpler and more precise adjustment of the overheating temperature of the working substance flow at the inlet of the compression device. As a result, the superheat temperature can be selected to be smaller, which improves the efficiency of the cyclic process plant. Furthermore, the control according to the invention reduces fluctuations in the manipulated variable of the compression device, so that noise and vibration problems can be avoided during the operation of the cyclic process system.
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Legal Events
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R163 | Identified publications notified |