DE3731360A1 - Verfahren und einrichtung zum regeln einer elektrisch angetriebenen kfz-klimaanlage - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum regeln einer elektrisch angetriebenen kfz-klimaanlage

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Regelungen für Auto- bzw. Kfz- Klimaanlagen, die durch elektrische Motoren angetrieben sind. In den vergangenen Jahren ist der prozentuale Anteil amerika­ nischer Autos mit eingebauten Klimaanlagen auf etwa 85% ange­ stiegen. Gleichzeitig hatten Bemühungen um eine verbesserte Brennstoffausnutzung kleinere Motoren zur Folge. Bei derzeitigen Kfz-Klimaanlagen ist der Kompressor riemengetrieben von der Mo­ torkurbelwelle und muß deshalb der Motordrehzahl folgen. Die Last von einem in Betrieb befindlichen Kompressor mit festem Hubraum kann die Betriebsfähigkeit und Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs wesentlich beeinflussen.
Derzeitige Klimaanlagen werden von dem Motor über einen Antriebs­ riemen angetrieben und steuern die Kühlleistung dadurch, daß entweder die Kompressorantriebskupplung elektrisch ein- oder ausgekuppelt wird oder daß die Kompressorsaugleistung mechanisch durch ein druck-betätigtes Steuerventil gedrosselt wird. In jedem Fall wird der Verdampferdruck in einem Bereich gehalten, der an­ gemessene Kühltemperaturen erzeugt, ohne daß es so kalt wird, daß sich auf der Verdampferspule Eis bildet.
Ein anderer Weg zur Steuerung der Kühlkapazität besteht darin, die Kompressorleistung mechanisch über einem kontinuierlichen Bereich zu verändern, um einen konstanten Verdampferdruck beizu­ behalten. Andere Abwandlungen dieser kürzlich kommerzialisier­ ten Lösung enthalten Kompressoren, die entweder auf alle oder die Hälfte ihrer Zylinder für 100%/50% Kapazitätsregelung ar­ beiten können. In allen Fällen wird das Verdampferdruck/Tempe­ raturverhältnis nahezu konstant gehalten, und die Temperatur der in das Fahrzeug eintretenden Luft wird geregelt, indem die erwärmte Luft aus dem Heizkern mit der kalten Luft, die den Ver­ dampfer verläßt, gemischt wird. Die in den Verdampfer eintreten­ de Luft kann entweder Außenluft oder umgewälzte Kabinenluft oder eine Kombination davon sein in Abhängigkeit von der jewei­ ligen Fahrzeugkonstruktion. Gewöhnlich ist eine "Maximum A/C" Steuereinstellung vorgesehen, die die Außenluftaufnahme auf etwa 15% der Gesamtströmung begrenzt (A/C bedeutet Airkonditioning oder Klimatisierung).
In Fahrzeugen, die mit einer automatischen Temperaturregelung (ATC) ausgerüstet sind, wird die Temperatur der in das Fahrzeug eintretenden Luft gesteuert durch Mischen der erwärmten Luft von dem Heizkern mit kalter Luft, die den Verdampfer verläßt. Die Steuertür bzw. -klappe wird geregelt durch Abtasten der Ka­ binentemperatur und Vergleichen mit der Soll-Einstellung. Bei vollautomatisierten Systemen wird die Gebläsedrehzahl auch im Verhältnis zur Differenz zwischen den Einstellungen der Soll­ und Ist-Kabinentemperatur geregelt. Noch kompliziertere ATC- Systeme, die kürzlich von den Japanern entwickelt worden sind, verwenden einen Computer, um die Fahrzeugkühllast vorherzusagen auf der Basis von gemessenen Umgebungs- und Innentemperaturen und der Sonneneinstrahlung. Die erforderliche Kaltluft-Zufuhr­ temperatur, die zum Erfüllen der Last erforderlich ist, wird berechnet, und der Kompressor wird mit der richtigen Frequenz betätigt, um diese Temperatur einzuhalten. Das System spart Energie, indem eine Wiedererwärmung auf Kosten einer erhöhten Zyklusrate des Kompressors eliminiert wird.
Die vorstehend beschriebenen Systeme haben mehrere Nachteile. Die Verwendung des Heizkerns, um die klimatisierte Luft erneut zu erwärmen, ist ineffizient. Die Zyklussteuerung der Kompressoren hat eine weite Schwankung der Luftzufuhrtemperaturen zur Folge. Verdichter, die die Kapazität mechanisch steuern, steuern nicht die Luftzufuhrtemperatur, sondern halten stattdessen eine kon­ stante Verdampfertemperatur bei. Dadurch können die Gebläse­ drehzahl und die Aufnahme von Außenluft die Temperatur der ab­ gegebenen Luft nachteilig beeinflussen und demzufolge den Kom­ fort verringern.
Die US-PS 44 59 519 zeigt eine Kühleinrichtung zur Verwendung in der Personenkabine eines Fahrzeugs. Das System enthält einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der mit einem Kompressor gekap­ selt ist. Die Kompressordrehzahl wird dadurch verändert, daß die Verdampfertemperatur abgetastet und mit einer Referenztem­ peratur verglichen wird. Die Ausgangsgröße eines Wechselstromgenerators (Alternators) wird gesteuert in Abhängigkeit von der Differenz zwi­ schen der Verdampfertemperatur und der Referenztemperatur, um dadurch die Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors zu ver­ ändern. Die Temperatur der gekühlten Kabine wird abgetastet und mit einer Soll-Temperatur der Kabine verglichen, und die Be­ triebsdrehzahl des Verdampfergebläses wird gemäß der Differenz zwischen der abgetasteten Temperatur und der Soll-Temperatur verändert. Die Referenztemperatur für den Verdampfer wird auto­ matisch verändert gemäß einem Signal, das die Verdampfergebläse­ drehzahl anzeigt, wodurch die Temperatur der durch das Gebläse bewegten Luft verändert wird, was die Steuerung der Kabinentem­ peratur an der Soll-Temperatur erleichtert.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Regelung für eine elek­ trisch angetriebene Kfz-Klimaanlage zu schaffen, die für eine volle Kühlkapazität bei jeder Motordrehzahl liefern kann. Dabei soll keine Wiedererwärmung oder Zyklussteuerung des Kompressors verwendet werden. Ferner soll der elektrische Motor, der den Kom­ pressor antreibt, vor Überlastzuständen geschützt werden, wäh­ rend der Komfort des Fahrers beibehalten werden soll.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Regeln eines elektrisch angetriebenen Kfz-Klimatisierungssystems geschaffen, bei dem die vom Fahrer vorgegebene Zufuhrlufttemperatur, das Verhältnis der außenseitigen zur umgewälzten Luft, die dem Luftklima­ tisierungssystem zugeführt wird, und die Gebläsedrehzahl über­ wacht werden. Dabei werden die tatsächliche oder Ist-Luftlie­ ferungstemperatur, die Motorleistung und die Motortemperatur gemessen. Die Motordrehzahl des Motors, der den Kompressor an­ treibt, wird verändert, um die Differenz zwischen der Soll­ und Ist-Temperatur auf ein Minimum zu verkleinern. Eine Steuerklappe ist vorgesehen, um das vorgegebene Verhältnis der außenseitigen zur umgewälzten Luft zu erreichen, und ein Gebläse ist auf die Soll-Drehzahl gesetzt. Wenn die Motorleistung oder die Tempera­ tur vorbestimmte Grenzen überschreiten, wird der Steuerklappenstel­ lungsbefehl übersteuert, wodurch der Anteil der Außenluft ver­ kleinert wird, um die Motorlast zu verkleinern. Die Motordreh­ zahl wird auch abgesenkt, wenn die Motorleistung oder die Tempe­ ratur eine vorbestimmte Grenze überschreitet, um die Motorlast zu verkleinern. Die vorgegebene Gebläsedrehzahl wird als näch­ stes übersteuert, um die Gebläsedrehzahl zu verkleinern, wenn eine zulässige Motortemperatur oder Leistung überschritten wird. Die Steuerklappeneinstellung und die Gebläsedrehzahl werden wieder­ hergestellt und die Motordrehzahl kann sich wieder ändern, um die vorgegebene Lufttemperatur zu erreichen, wenn die Motorlei­ stung und die Motortemperatur zulässige Werte nicht mehr über­ schreiten.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an­ hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Blockbild und zeigt in teilweise schematisier­ ter Form eine Steuereinrichtung für eine elektrisch angetriebene Kfz-Klimaanlage gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Blockbild des elektrischen Klimatisierungs­ reglers gemäß Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Fließbild und zeigt die Steuerlogik, die zum Steuern der elektrisch angetriebenen Klimaanlage ver­ wendet wird.
Fig. 4 ist ein Kurvenbild und zeigt die Kurve der maximalen Leistung des elektrisch kommutierten Motors als eine Funktion der Motordrehzahl, wie sie beim Regeln der elektrisch angetriebenen Klimatisierungsanlage ver­ wendet wird.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm und zeigt in teilweise schema­ tischer Form ein anderes Ausführungsbeispiel einer Regeleinrichtung für eine elektrisch angetriebene Kfz-Klimaanlage gemäß der Erfindung.
Fig. 6 ist ein Fließbild für die Steuerlogik der in Fig. 5 gezeigten Einrichtung.
In Fig. 1 ist eine Regeleinrichtung für eine elektrisch ange­ gebene Klimaanlage (Luftkonditionierung) gezeigt. Ein drehzahl­ variabler Motor 11 treibt einen Kompressor 13 der Klimaanlage an. Der Motor und der Kompressor sind vorzugsweise hermetisch gekapselt zu einer einzigen Einheit 15, wodurch Probleme be­ züglich einer Leckage von Kältemittel an der Wellendichtung eli­ miniert sind, die bei Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen häufig vorkommen. Der Motor ist vorzugsweise ein elektronisch kommu­ tierter Motor oder ein bürstenloser Gleichstrommotor, wie bei­ spielsweise ein dreiphasiger Motor mit Oberflächenmagneten. Der bürstenlose Gleichstrommotor setzt elektronische Schaltkrei­ se für die Bürsten und Kommutatorstäbe des üblichen Gleichstrom­ motors. Der bürstenlose Motor kann mit einem radialen oder axia­ len Luftspalt versehen sein, wobei der Rotor sich entweder inner­ halb oder außerhalb des Stators befinden kann. Der Motor kann mit Sinus- oder Rechteckwellen-Wicklungen versehen sein. Die An­ zahl der gewählten Motorpole beeinflußt den Grad des Entmagneti­ sierungsschutzes. Unabhängig davon, welcher Aufbau gewählt wird, werden die besten Ergebnisse dadurch erzielt, daß die Permanent­ magnete als Bögen auf die Oberfläche des Rotors angebracht wer­ den. Es sind eine Reihe von Permanentmagnetzusammensetzungen verfügbar, wobei zwei hervorstechen als wirtschaftlich am zweckmäßigsten, nämlich Ferrit und ein kaltgepreßtes/Epoxid­ gebundenes NdFeB. Beide haben Spulenpermeabilitäten näher Eins, was ein wichtiges Merkmal bei der Motorauslegung ist, aber die NdFeB- Zusammensetzung hat wesentlich bessere Fluß- und Entmagneti­ sierungseigenschaften. Das NdFeB würde verwendet werden, wo eine kleine Größe oder verbesserte Entmagnetisierungsgrenzwerte erreicht werden sollen.
Die Motordrehzahl wird durch einen Regler 17 für einen elektrisch kommutierten Motor (ECM) geregelt,wobei der Regler einen dreiphasi­ gen Gleichrichter und einen Gleichspannungs/Wechselspannungs- Stromrichter mit einer Steuerschaltung für eine Pulsbreiten­ steuerung aufweist. Alternativ kann der Motor durch Feldsteue­ rung von einer Wechselstrommaschine gesteuert werden, die als Leistungsquelle (nicht gezeigt) verwendet wird. Der Regler 17 liefert bei einem Drehzahlsteuersignal von einem Regler 21 der elektrischen Klimaanlage Statorströme variabler Größe und Fre­ quenz an den Motor 11. Dem Regler 17 wird Leistung von einer Wechselspannungsquelle 23 zugeführt, die der Ausgang einer Wech­ selstrommaschine vor der Gleichrichtung sein kann. Die Wahl einer geeigneten Spannung für die Wechselspannungsquelle hängt von der Last der Klimaanlagen, den Wirkungsgraden der Komponen­ ten, den Nennströmen der Schalteinrichtungen im Stromrichter und dem Industriestandard ab. Der Regler 21 der Klimaanlage ist ein Regler auf Mikroprozessorbasis, der durch eine Gleichstrom­ einspeisung 25 gespeist wird. Der Regler 21 ist in Fig. 2 ge­ nauer gezeigt. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, empfängt der Regler 21 Eingangssignale von einer am Armaturenbrett angebrachten Steuerung 27, die getrennte Einstellungen für die gewünschte oder Soll-Temperatur der Luft, den Anteil der eingeführten Außen­ luftströmung und die Gebläsedrehzahl hat. Die Steuerung 27 kann eine durch einen Mikroprozessor gesteuerte Anzeige mit Druck­ knopfeingabe oder, wie es bei dem beschriebenen Ausführungs­ beispiel der Fall ist, eine Steuerung mit Schiebewiderstand sein. Die Lufttemperatur, der Anteil der eingeführten Außen­ luftströmung und die Gebläsedrehzahl sind jeweils kontinuier­ lich verstellbar von der minimalen bis zur maximalen Einstel­ lung.
Der Kompressor 13 verdichtet ein gasförmiges Kältemittel, um die Temperatur und den Druck des Kältemittels zu erhöhen. Das Kältemittel strömt von dem Kompressor zu einem Kondensator 31, wo das Kältemittel Wärme abgibt und zu einer Flüssigkeit kon­ densiert. Das unter einem hohen Druck stehende, flüssige Kälte­ mittel expandiert, wenn es durch das Expansionsventil 33 fließt und strömt zu einem Verdampfer 35, der in einer Leitung 37 an­ geordnet ist, die mit dem Innenraum eines Fahrzeugs in Strö­ mungsverbindung steht. Das kalte, flüssige Kältemittel im Ver­ dampfer 35 entzieht der durch den Verdampfer strömenden Luft Wärme, wobei das erwärmte Kältemittel aus dem Verdampfer als ein Gas zurück zum Kompressor 13 strömt, um den Zyklus zu wie­ derholen. Eine Steuerklappe 41 in dem Leitungssystem steuert die Mischung der Außenluft (frische Luft) und der umgewälzten Luft, die durch ein Gebläse über den Verdampfer geblasen wird. Das Gebläse 43 ist vorzugsweise ein elektrisch kommutierter Mo­ tor, wie beispielsweise ein Oberflächenmagnetmotor, der durch einen Gleichspannungs/Wechselspannungs-Stromrichter angetrieben ist, der Teil des Gebläsemotor-Reglers 45 ist. Ein Temperatur­ fühler, wie beispielsweise ein Thermoelement 47, ist in dem Auslaß des Leitungssystems angeordnet, wo die Temperatur der von der Klimaanlage gelieferten kalten Luft gemessen wird. Das Thermoelement 47 ist mit dem elektrischen Klimaanlagen-Regler 21 verbunden. Der Regler 21 empfängt auch Rückführungsinforma­ tion bezüglich der vom Motor 11 zugeführten Leistung von dem Regler 17 für die elektronische Kommutierung und bezüglich der Motortemperatur von einem Thermoelement, das in dem Motor an­ gebracht ist (nicht gezeigt).
Gemäß Fig. 2 empfängt der Regler 21 für die elektrische Klima­ anlage Gleichstromleistung an einer Leistungskonditionierschal­ tung 51, die Leistung mit geeigneten Spannungen an einen zen­ tralen Mikroprozessor 53 und andere Regelschaltungen der Klima­ anlage liefert. Der Mikroprozessor 53, der durch einen Takt 55 gesteuert wird, empfängt digital codierte Signale von einer Datenabtastschaltung 57, die als ein Multiplexer arbeitet. Der Motortemperaturfühler, der A/C-Lufttemperaturfühler und die Kabinentemperatur sind mit einer "Eispunkt"-Referenzschaltung 61 verbunden. Das Kabinentemperatur-Eingangssignal wird in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 nicht verwendet. Thermoele­ mente arbeiten auf der Basis der kleinen Spannung, die zwischen unähnlichen Metallen erzeugt wird und sich als eine Funktion der Temperatur ändert. Für jedes Thermoelement ist eine Refe­ renzverbindung erforderlich. Die von einem Thermoelement ge­ messene Temperatur hängt von den Referenz- und Abtastverbin­ dungs-Temperaturen ab. Die "Eispunkt"-Referenzschaltung 61 bil­ det eine kompensierende und verstärkende Schaltungsanordnung, die die Differenz korrigiert, die dadurch hervorgerufen wird, daß die Referenzverbindung auf einer Temperatur ungleich 0°C ist. Die korrigierten und verstärkten analogen Spannungssignale von den Thermoelementen, die ein Maß für die gemessenen Tempe­ raturen sind, werden durch A/D-Wandler 62, 63 und 64 in digitale Signale umgewandelt. Die drei Armaturenbrett-Steuerungen sind mit einer Signalkonditionierungsschaltung 65 und dann mit A/D- Wandlern 66, 67 und 68 verbunden. Die A/D-Wandler 62, 63, 64, 66, 67 und 68 sind mit der Datenabtastschaltung 57 verbunden. Das Motordrehzahl-Sollwertsignal wird einem Frequenzzähler 73 zuge­ führt, der eine digitale Ausgangsgröße an die Datenabtastschal­ tung 57 liefert. Das digital codierte Motorleistungssignal von dem ECM-Regler 17 gemäß Fig. 1 wird ebenfalls der Datenabtast­ schaltung 57 zugeführt.
Der zentrale Mikroprozessor 53 führt die logischen Funktionen aus, die in Fig. 3 gezeigt sind. Gemäß Fig. 2 ist ein Festwert­ speicher (ROM) 74 mit dem Mikroprozessor 53 verbunden, wobei der ROM 74 eine maximal zulässige Motorleistung als eine Funk­ tion der Motordrehzahl oder alternativ einen maximal zulässi­ gen Motorstrom in Abhängigkeit der Motordrehzahl enthält. Eine typische Kurve der maximalen Leistung über der Drehzahl ist in Fig. 4 gezeigt. Der zentrale Mikroprozessor liefert Motordreh­ zahl-Steuersignale und ein Gebläsedrehzahl-Steuersignal an Oszillatoren 75 bzw. 77 mit variabler Pulsbreite und fester Frequenz, wobei die Oszillatoren ihrerseits mit dem ECM-Regler 17 bzw. dem Gebläseregler 45 gemäß Fig. 1 verbunden sind. Die Signale fester Frequenz und variabler Pulsbreite gestatten eine optische Trennung zwischen dem Motor und dem Regler für die elektrische Klimaanlage. Das auf diese Weise optisch isolierte Signal wird gemittelt, und die Motordrehzahl ist etwa linear zu dem gemittelten Signal. Der zentrale Mikroprozessor liefert ein digital codiertes Signal an einen D/A-Wandler 81, der sei­ nerseits ein analoges Steuersignal bezüglich der Stellung der Frischluftklappe an die Steuerklappe 41 gemäß Fig. 1 liefert.
Im Betrieb wird die Drehzahl des elektronisch kommutierten Mo­ tors dadurch ermittelt, daß der Ist-Wert der Lufttemperatur mit dem Soll-Wert der Temperatur der zugeführten Luft verglichen wird. Die Motordrehzahl und dementsprechend die Kühlkapazität der Einrichtung wird dann entweder proportional vergrößert oder verkleinert, um die Differenz in den Soll- und Ist-Werten zu minimieren. Die Motortemperatur und die Leistung werden ge­ messen und verglichen mit maximalen, sicheren, zulässigen Werten bei der vorhandenen Betriebsdrehzahl. Wenn der Motor die siche­ ren, zulässigen Werte überschreitet, wird die Außenluft-Stell­ klappe zunehmend geschlossen, um die Verdampferlast zu begrenzen. Die Verminderung der Menge eingeführter Außenluft verkleinert die erforderliche Motorleistung und senkt die Temperatur der zu­ geführten Luft. Die Senkung der Temperatur der zugeführten Luft hat eine Senkung der Motordrehzahl zur Folge, wodurch die Lasten des Wärmetauschers (Verdampfer und Kondensator) und des Motors weiter verkleinert werden. Somit kann die Regeleinrichtung, die durch die gewählte Frischlufteinstellung übersteuert ist, zu­ nächst dazu verwendet werden, eine Überbelastung des elektro­ nisch kommutierten Motors (ECM) mit gar keiner oder nur geringer Einbuße an Komfort zu verhindern.
Wenn während irgendwelcher Überlastzustände des Motors die Außenluft-Stellklappe ihre minimale Öffnung erreicht und der Motor weiterhin überbelastet ist, dann wird die Motordrehzahl graduell gesenkt, um die Wärmetauscher zu entlasten. Dies über­ steuert temporär die Wahl des Fahrers für die gewünschte Luft­ zufuhrtemperatur, bis die Motorlasten zulässig werden. Wenn beim Erreichen der minimalen Motordrehzahl der Motor weiterhin überbelastet ist, wird die Gebläsedrehzahl graduell gesenkt. Wenn dies die Überlast nicht beseitigt, wird der Motor ange­ halten und erneut gestartet nach einer Zeitverzögerung, die beim beschriebenen Ausführungsbeispiel 3 Minuten beträgt. Wenn die Überlastzustände des Motors beseitigt sind, kehrt die Regel­ einrichtung graduell zurück zu den vom Fahrer gewählten Ein­ stellungen. Indem die Übersteuerung bzw. Außerachtlassung der vom Fahrer gewählten Parameter gesteuert wird, wird ein angemes­ sener Komfort ohne Schaden für den kommutierten Motor aufrechterhalten.
Das Steuerprogramm wird, wie es im Fließbild gemäß Fig. 3 ge­ zeigt ist, durch den Regler 21 der Klimaanlage ausgeführt. Die Klimaanlage wird durch die Bedienungsperson des Fahrzeugs einge­ schaltet. Diese stellt auch die Steuerungen 27 am Armaturenbrett ein, und der elektrisch kommutierte Motor (ECM) 11 wird im Block 83 des Fließbildes auf eine vorbestimmte Startdrehzahl eingestellt, die in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die volle Drehzahl ist. Das Programm tritt dann in eine Schleife ein, in der der erste Schritt darin besteht, die ECM-Drehzahl, Leistung und Tem­ peratur aus dem Motorregler im Block 85 zu lesen, und der zweite Schritt besteht darin, die ECM-Temperatur mit einer maximal zu­ lässigen ECM-Temperatur T max zu vergleichen und die ECM-Leistung mit einer maximal zulässigen Leistung HP max in einer Nachschlage­ tabelle zu vergleichen, die im ROM gespeichert ist. Diese Ver­ gleiche erfolgen im Block 87. Die Tabelle enthält die Informa­ tion, die in der Kurve gemäß Fig. 4 gezeigt ist, wobei die Motordrehzahl dazu verwendet wird, die zulässige Leistung am Arbeitspunkt zu ermitteln. Der Entscheidungsblock 87 ermit­ telt, ob die ECM-Drehzahl gesetzt werden soll, um die Tempera­ tur der zugeführten Luft zu steuern, und ob die Außenluft­ strömung und die Gebläsedrehzahl auf ihre Soll-Werte gesetzt werden sollen oder ob die ECM-Drehzahl, die Steuerklappen-Ein­ stellung und die Gebläsedrehzahl übersteuert bzw. außer acht gelassen werden sollen, um einen Überlastzustand zu beseitigen. Wenn die maximale ECM-Leistung und Temperatur nicht überschrit­ ten sind, werden der Ist-Wert der Temperatur der zugeführten Luft und die Einstellungen an der Armaturenbrett-Steuerung im Block 91 gelesen. Als nächstes wird im Entscheidungsblock 93 die Lufttemperatur abgefragt, und wenn sie zu hoch ist, was im Block 95 ermittelt wird, wird im Entscheidungsblock 97 abgefragt, ob ein Befehl für die ECM-Drehzahl übersteuert wird wegen einer übermäßigen ECM-Temperatur oder Leistung. Wenn die ECM-Drehzahl nicht übersteuert wird, wird die ECM-Drehzahl im Block 101 er­ höht, wodurch die Kühlkapazität der Klimaanlage vergrößert wird. Die ECM-Drehzahl wird weiterhin eingestellt in den Blöcken 101 und 103 und nachfolgenden Durchläufen durch die Schleife, um die Differenz zwischen dem Soll- und Ist-Wert der Temperatur der zugeführten Luft zu verkleinern.
Wenn die ECM-Temperatur und Nennleistungen gelesen und festge­ stellt wird, daß eine von beiden vorbestimmte Grenzen überschrei­ tet (siehe Block 87), dann wird die Steuerklappe für die Außen­ luft abgefragt, ob sie in ihrer vollständig geschlossenen Stel­ lung ist (Block 105). Wenn die Steuerklappe nicht in ihrer voll­ ständig geschlossenen Stellung ist, wird sie verstellt, um die Menge an eingeführter Außenluft zu verkleinern und eine Über­ steuerungs- bzw. Korrekturflagge wird gesetzt für eine vorbe­ stimmte Zeitlänge im Block 107 und die Regelschleife beginnt wieder. Die Stellklappe wird graduell geschlossen, wenn das pro­ gramm wiederholt die Schleife durchläuft, wobei angenommen ist, daß die Überlast weiter besteht. Wenn die Steuerklappe jedoch ihre vollständig geschlossene Position erreicht, was im Block 105 ermittelt wird, und der Überlastzustand weiterhin besteht, wird die ECM-Drehzahl im Block 111 abgefragt, ob die ECM-Dreh­ zahl größer als ihre minimale Drehzahl ist, und wenn dies der Fall ist, wird die ECM-Drehzahl vermindert, um die Motorlast zu verkleinern und ein Kennzeichen (Flagge) im Block 113 zu setzen. Dann beginnt die Regelschleife wieder. Wenn die ECM- Drehzahl eine minimale Drehzahl erreicht, ohne die Überlast zu vermindern, was im Block 111 ermittelt wird, wird die Gebläse­ drehzahl abgefragt, ob sie auf ihrer minimalen Drehzahl ist (siehe Block 115), und wenn sie es nicht ist, wird sie ver­ kleinert und ein Kennzeichen (Flagge) wird im Block 117 gesetzt. Alle Flaggen werden gesetzt für eine vorbestimmte Zeitlänge, wonach die Flaggen wieder beseitigt werden. Wenn das Schließen der Steuerklappe auf ihre minimale Öffnungsstellung, die Ver­ minderung der ECM-Drehzahl auf ein Minimum und das Verkleinern der Gebläsedrehzahl auf ein Minimum die Überlast nicht beseitigt, was im Block 115 ermittelt wird, wird der elektronisch kommutier­ te Motor (ECM) für eine vorbestimmte Zeitdauer von beispiels­ weise 3 Minuten im Block 121 gestoppt. Beim Wiederstart be­ ginnt das Programm am Block 83, wobei alle Übersteuerungs- bzw. Korrekturflaggen beseitigt sind.
Wenn der Motor nicht überlastet ist, was im Block 87 ermittelt wird, werden die tatsächliche A/C-Frischlufttemperatur und die Einstellungen am Armaturenbrett im Block 91 gelesen. Wenn die Lufttemperatur in einem schmalen Band um die Soll-Temperatur ist, was im Block 93 ermittelt wird, und das Korrekturzeichen (Über­ steuerungsflagge) der Gebläsedrehzahl nicht gesetzt ist oder ab­ gelaufen ist, was im Block 123 ermittelt wird, wird die Gebläse­ drehzahl erhöht, wenn sie unterhalb der Steuereinstellung am Armaturenbrett ist (siehe Block 125). Wenn die Flagge gesetzt ist, wird die Übersteuerungsflagge für die Stellklappe im Block 127 abgefragt, und wenn sie nicht gesetzt ist, wird die Steuer­ klappe im Block 131 eingestellt, um mehr Außenluft zu gestatten. Wenn die Einstellung am Armaturenbrett größer ist als die gegen­ wärtige Menge, beginnt die Regelschleife wieder. Wenn die Über­ steuerungsflagge für die Steuerklappe gesetzt ist, erfolgen keine Änderungen und die Schleife beginnt wieder. Nachdem die Steuerklappe für die Außenluft eingestellt worden ist, wird, wenn die Übersteuerungsflagge für das Gebläse als gesetzt er­ mittelt worden ist, die Schleife erneut wiederholt.
In Fig. 5 ist ein teilweise schematisches Diagramm einer auto­ matisch arbeitenden Luftkonditionier- bzw. Klimaeinrichtung ge­ zeigt. Das Diagramm ist das gleiche wie in Fig. 1, außer daß keine vom Fahrer wählbare Gebläsedrehzahl-Steuerung 27 am Arma­ turenbrett vorgesehen ist und daß ein Kabinentemperaturfühler, wie beispielsweise ein Thermoelement 135 vorhanden ist. Das Hardware-Diagramm für den elektrischen Klimaregler ist in Fig. 2 gezeigt, wobei das Armaturenbrett- und Drehzahleingangs­ steuersignal zur Signalkonditionier- bzw. Signalformschaltung 65 nicht verwendet sind. Der andere Unterschied zwischen Fig. 5 und Fig. 1 ist die Verknüpfung, die durch den zentralen Mikroprozessor 53 des Reglers 21 gemäß Fig. 5 der elektrischen Klimaanlage implementiert ist. Die Logik-Schaltung, die in Ver­ bindung mit dem zentralen Mikroprozessor 53 gemäß Fig. 5 ver­ wendet ist, ist in Fig. 6 gezeigt.
Im Betrieb ermittelt die automatisch betriebene Klimaanlage die ECM-Drehzahl auf der Basis eines Vergleiches der Soll- und Ist- Kabinentemperatur. Die Motordrehzahl und demzufolge die Kühlka­ pazität der Anlage wird dann entweder proportional vergrößert oder verkleinert, um die Differenz der Soll- und Ist-Werte zu minimieren. Im Betrieb in einer geschlossenen Rückführungs­ schleife wird die ECM-Drehzahl festgelegt, die den Soll-Wert der Lufttemperatur erreicht. Da dies ein automatisches oder selbst­ tätiges System ist, wird die Gebläsedrehzahl durch den Regler vorwiegend als eine Funktion der ECM-Drehzahl ermittelt. Wenn die ECM-Drehzahl ansteigt, wird die Gebläsedrehzahl ebenfalls vergrößert, um eine angenehme Temperatur der das Leitungssystem verlassenden Luft beizubehalten. Aus dem gleichen Grunde ist die berechnete Gebläsedrehzahl ebenfalls eine Funktion der Steuereinstellung für die Außenluft. Mehr Frischluft bewirkt eine Verkleinerung der Gebläsedrehzahl, um eine höhere Ge­ schwindigkeit und Temperatur der Einlaßluft zu kompensieren.
Die Motorleistung und -temperatur werden überwacht und mit zulässigen Maximalwerten verglichen, die für jede Betriebsdreh­ zahl vorbestimmt sind. Wenn der elektronisch kommutierte Motor (ECM) diese Leistungs- und Temperaturwerte überschreitet, wird die Steuerklappe für die Außenluft zunehmend geschlossen, um die Verdampferlast zu begrenzen. Die Schließung der Stellklappe hat die Wirkungen, die Motorlast zu verkleinern und die Tempera­ tur der zugeführten Luft abzusenken. Dies hat eine Verkleinerung der Motordrehzahl zur Folge, wodurch die Wärmetauscher- und Motorlasten weiter gesenkt werden. Somit kann die Übersteuerung der Regeleinrichtung für die Außenluftzufuhr zunächst dazu ver­ wendet werden, eine Überbelastung des elektronisch kommutierten Motors mit wenig oder gar keiner Einbuße der Komfortwerte zu verhindern.
Wenn die Außenluft-Stellklappe ihre minimale Öffnung erreicht und der Motor weiterhin überlastet ist, wird die ECM-Drehzahl verkleinert, um die Wärmetauscher zu entlasten und Motorverluste zu verkleinern. Dies gestattet, daß die Kabinenlufttemperatur temporär schwankt, bis die Motorlasten akzeptabel werden. Wenn die Motorlast weiterhin zu groß ist, dann wird die Einstellung der errechneten Gebläsedrehzahl automatisch übersteuert bzw. außer acht gelassen, um die Gebläsedrehzahl zu verlangsamen und die Motorlast zu verkleinern. Wenn der Motor immer noch überla­ stet ist, stoppt das System und wartet eine vorbestimmte Zeit­ dauer, bevor ein Wiederstart versucht wird. Wenn der Motor läuft und die Überlastzustände beseitigt sind, kehren die Parameter, die übersteuert wurden, auf ihre Soll-Werte zurück. Indem die vom Fahrer eingestellten A/C-Einstellungen gesteuert außer acht gelassen werden, wird ein akzeptabler Komfort ohne Beschädigung des elektronisch kommutierten Motors erhalten.
Das Fließbild in Fig. 6 zeigt die Regelung, die von der elek­ trischen Klimaanlage ausgeführt wird. Die Klimaanlage wird durch den Benutzer des Fahrzeugs eingeschaltet. Auch die Ein­ stellungen am Armaturenbrett werden durch den Benutzer gemacht. Der elektronisch kommutierte Motor, der den Kompressor an­ treibt, wird auf eine vorbestimmte Startdrehzahl eingestellt, die in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die volle Dreh­ zahl ist, und die Gebläsedrehzahl wird auf eine vorbestimmte Drehzahl eingestellt (siehe Block 137). Das Programm tritt in eine Regelschleife ein, deren erster Schritt darin besteht, die Leistung, Drehzahl und Temperatur des elektronisch kommu­ tierten Motors von dem Motorregler im Block 141 zu lesen, und der zweite Schritt besteht darin, die ECM-Temperatur mit einer maximal zulässigen ECM-Temperatur T max zu vergleichen und die ECM-Leistung mit einer maximal zulässigen Leistung HP max in einer Nachschlagetabelle zu vergleichen, die in einem ROM ge­ speichert ist (siehe Entscheidungsblock 143). Die Tabelle ent­ hält die in der Kurve gemäß Fig. 4 gezeigte Information, wobei die Motordrehzahl dazu verwendet wird, die zulässige Leistung an jedem Arbeitspunkt zu ermitteln. Gemäß dem Entscheidungsblock 143 wird dann ermittelt, ob die ECM-Drehzahl zu setzen ist, um die Kabinenlufttemperatur zu steuern, und ob die Außenluftströ­ mung und die berechnete Gebläsedrehzahl zu verwenden sind, oder ob die ECM-Drehzahl, die Steuerklappen-Einstellung und die Ge­ bläsedrehzahl zu übersteuern bzw. außer acht zu lassen sind, um einen Überlastzustand zu beseitigen. Wenn die maximale Leistung und Temperatur des elektronisch kommutierten Rotors nicht über­ schritten sind, werden die tatsächliche Kabinentemperatur und die Steuereinstellungen am Armaturenbrett im Block 145 gelesen. Die Kabinentemperatur wird als nächstes im Entscheidungsblock 147 abgefragt, und wenn sie zu hoch ist, was im Block 151 ermit­ telt wird, wird im Entscheidungsblock 153 eine Prüfung durchge­ führt, um zu sehen, ob ein Soll-Wert für den elektronisch kommu­ tierten Motor (ECM) übersteuert bzw. außer acht gelassen wird wegen einer überhöhten ECM-Temperatur oder -Leistung. Wenn die ECM-Drehzahl nicht übersteuert wird, wird die ECM-Drehzahl im Block 155 erhöht, was die Kühlkapazität der Klimaanlage ver­ größert. Die Gebläsedrehzahl wird als eine Funktion der ECM- Drehzahl und der Steuerklappenstellung im Block 157 eingestellt. Die ECM-Drehzahl wird weiterhin in den Blöcken 155 und 159 in nachfolgenden Durchläufen durch die Regelschleife eingestellt, um die Differenz zwischen den Soll- und Ist-Werten der Kabinen­ lufttemperatur zu verkleinern. Die Gebläsedrehzahl wird einge­ stellt, wenn sich die ECM-Drehzahl ändert (siehe Block 157).
Wenn die ECM-Temperatur oder die Nennleistungen des Motors im Block 141 gelesen werden und festgestellt wird, daß sie vorbe­ stimmte Grenzwerte überschreiten (siehe Block 143), wird die Steuerklappe für die Außenluft abgefragt, ob sie in ihrer ge­ schlossenen Stellung ist (Block 161), und wenn dies nicht der Fall ist, wird die Steuerklappe graduell geschlossen und eine Übersteuerungsflagge wird gesetzt (Block 163), wenn das Pro­ gramm wiederholt die Regelschleife durchläuft. Wenn jedoch die Steuerklappe ihre vollständig geschlossene Stellung erreicht, was im Block 161 ermittelt wird, und ein Überlastzustand immer noch besteht, wird die ECM-Drehzahl abgefragt, ob sie größer als ihre minimale Drehzahl ist (siehe Block 165), und wenn dies der Fall ist, wird die ECM-Drehzahl abgesenkt, um die Motorver­ luste zu verkleinern, und eine Flagge bzw. ein Kennzeichen wird gesetzt (Block 167) und die Regelschleife beginnt erneut. Wenn die ECM-Drehzahl eine minimale Drehzahl erreicht, was im Block 165 ermittelt wird, ohne die Überlast zu beseitigen, dann wird die Gebläsedrehzahl im Block 171 abgefragt, ob sie oberhalb einer minimalen Drehzahl ist. Wenn die Gebläsedrehzahl über einem vor­ bestimmten Minimum ist, wird die Gebläsedrehzahl graduell ver­ kleinert und eine Flagge bzw. ein Kennzeichen wird im Block 173 gesetzt. Alle Flaggen sind für eine vorbestimmte Zeitlänge ge­ setzt, wonach die Flaggen beseitigt werden.
Wenn das Schließen der Steuerklappe, die Absenkung der ECM-Dreh­ zahl auf ein Minimum und das Verkleinern der Gebläsedrehzahl auf ein Minimum die Überlast nicht beseitigt, wird der elektronisch kommutierte Motor für eine vorbestimmte Zeit gestoppt, beispiels­ weise für drei Minuten (siehe Block 175). Beim Wiederstart be­ ginnt das Programm am Block 137, wobei alle Übersteuerungsflag­ gen beseitigt sind.
Wenn der elektronisch kommutierte Motor nicht überlastet ist, was im Entscheidungsblock 143 ermittelt wird, werden die Kabi­ nentemperatur und die Steuereinstellungen am Armaturenbrett im Block 145 gelesen. Wenn die Kabinentemperatur in einem schma­ len Band um die Soll-Temperatur ist, was im Block 147 ermittelt wird, und die Übersteuerungsflagge für die Steuerklappe nicht gesetzt ist oder abgelaufen ist, was im Block 177 ermittelt wird, wird die Steuerklappe geöffnet, um mehr Außenluft eintre­ ten zu lassen, wenn die Steuerklappe nicht bereits so weit ge­ öffnet ist, wie es an der Armaturenbrett-Steuerung gewählt ist. Als nächstes wird die Drehzahl-Übersteuerungsflagge im Block 183 abgefragt, und wenn die Flagge nicht gesetzt ist, wird die Gebläsedrehzahl ermittelt als eine Funktion der Drehzahl des elektronisch kommutierten Motors und der Außenluftströmung im Block 157.
Wenn die Übersteuerungsflagge für die Gebläsedrehzahl gesetzt ist, was im Block 183 ermittelt wird, wiederholt sich die Schlei­ fe, ohne daß die Gebläsedrehzahl geändert wird. Wenn die Steuer­ klappen-Übersteuerungsflagge gesetzt ist, wird die Steuerklappe nicht verstellt und die Schleife wird wiederholt.
Die Größe der Motorleistung, die zum Antrieb einer elektrischen Kraftfahrzeug-Klimaanlage notwendig ist, hängt von der Kühlkapa­ zität des Systems, ihres Wirkungsgrades und den Grenz- bzw. Randbedingungen (d. h. Temperaturen) ab, unter denen sie arbeiten muß. Alle diese Größen sind im normalen Kraftfahrzeugbetrieb variabel, aber die folgenden "Standard-"Bedingungen sind nützlich bei der Gewinnung maximaler Leistungswerte: Wechselndes Anfahren und Bremsen (stop and go) im Stadtverkehr, starkes Aufheizen und anschließendes Abkühlen und Autobahnfahrt mit voller Außen­ luftaufnahme.
Der Leerlauf/Stadtverkehrzustand hat sehr hohe Kompressoraus­ gangsdrücke zur Folge, die die Neigung haben, den bürstenlosen Gleichstrommotor zu überlasten. Um dieses Problem zu verhindern, muß die Frischluft im Leerlauf eingeschränkt werden, um die Verdampferlast abzusenken und, wenn möglich, das Kondensorge­ bläse zeitweilig mit einer Überdrehzahl zu betreiben. Auf je­ den Fall wird dieser Motor während des Leerlaufs bei kleineren Drehzahlen arbeiten, um eine Überlast zu vermeiden, und infolge­ dessen wird er unter diesen Umständen seine maximale Leistungs­ anforderung nicht erreichen. Dieser Leerlaufzustand macht je­ doch eine Motorgestaltung erforderlich, die gute Drehmoment­ eigenschaften bei kleiner Drehzahl bietet, um einen Strömungs­ abriß (stall) zu vermeiden. System-Simulationen zeigen, daß der Motor wenigstens eine Steigerung von 33% über einem Ausgangs­ drehmoment bei voller Drehzahl liefert, wenn er bei 33% seiner vollen Nenndrehzahl betrieben wird, um bei Leerlauftests Strö­ mungsabrißprobleme zu vermeiden. Eine typische System-Kapazität bei Leerlauf beträgt 3,25·103 bis 3,7·103 kcal/h (13000 bis 15000 Btu/h).
Der Aufheiz/Abkühl-Test wird dadurch ausgeführt, daß das Fahrzeug für 1 bis 3 Stunden in eine heiße sonnige Umgebung gestellt wird, so daß die Kabinentemperatur auf 60 bis 70°C (140 bis 160°F) ansteigt. Das Fahrzeug wird dann mit einer Ge­ schwindigkeit von 45 bis 55 km/h (25 bis 30 Meilen/Stunde) mit maximalen A/C- und Gebläsedrehzahl-Steuereinstellungen gefahren. Eine typische Abkühl-Kapazität beträgt 4·103 bis 4,5·103 kcal/h (16000 bis 18000 Btu/h). Eine Simulation der Systemleistung un­ ter diesen Bedingungen zeigt, daß eine elektrische Klimaanlage, die etwa bei der Hälfte ihrer maximalen Drehzahl arbeitet, eine Abkühlleistung liefert, die einer üblichen Klimaanlage äquiva­ lent ist. Sie könnte jedoch mit einer maximalen Drehzahl (Lei­ stung) während des Abkühltestes arbeiten, um dadurch in signi­ fikanter Weise die erforderliche Zeit zu verkürzen, um akzeptab­ le Kabinentemperaturen zu erreichen.
Der dritte Zustand, Autobahn-Langstreckenfahrt, erfordert, daß die Klimaanlage komfortable Kabinentemperaturen aufrechterhält, während sie bis zu 5,5 bis 7,5 m3/min (200 bis 300 cfm) Außen­ luft bei einer Temperatur von 38°C (100°F) und einer relativen Feuchte von 40% verarbeitet. Dadurch wird ein maximaler Kapa­ zitätswert festgesetzt, der seinerseits die Größe des Motors und seiner Treiber-Elektronik bestimmt. Für übliche Klimaanla­ gen ist eine Kühlung von 6·103 bis 7,5·103 kcal/h (24000 bis 30000 Btu/h) (was eine Motorleistung von 5 PS erfordert) keine unübliche Kapazität für diesen Zustand. Etwa 4,5·103 kcal/h (18000 Btu/h) der Gesamtlast wird dazu verwendet, die Außenluft (Frischluft) zu konditionieren bzw. zu klimatisieren. Deshalb hat eine Reduzierung oder Eliminierung der Außenluftlast bei Autobahnfahrten einen direkten Einfluß auf die Größe des elek­ trischen Antriebsystems.
Da der Autobahn-Test mit voller Außenluft ständig die maximale Motorleistung erfordert, wurde eine Reihe von Computer-Simula­ tionen durchgeführt, um Wege einer Verminderung der Leistung bei 80 km/h zu finden. Es wurde gefunden, daß eine vollständige Umwälzung der Kabinenluft bei hohen Umgebungsbedingungen die Motorlasten auf unter 2 PS senken kann. Vom Standpunkt des Kom­ fort ist dies nicht zulässig. Es ist realistischer, wenigstens 30% Frischluft unter allen Bedingungen zuzulassen. Dies hat einen Motor von 2,8 PS zur Folge, wobei übliche Kompressor- und Zyklus-Wirkungsgrade verwendet werden. Eine Verwendung eines zweistufigen Zyklus mit 25% Frischluft hat eine Motorlast von 2,0 PS zur Folge. Bei Verwendung eines üblichen Zyklus mit einem hoch-effizienten Kompressor in Verbindung mit einer 20% Frisch­ luftbegrenzung entsteht auch eine Last von 2 PS auf den elektri­ schen Antrieb.
Es scheint deshalb vernünftig, daß 2 PS bzw. 1,5 kW eine reali­ stische minimale Motorgröße für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage ist, wobei der 80 kmh-Test verwendet wird. Die Simulation der Leerlauf- und Abkühl-Testbedingungen unter Verwendung einer zweistufigen Kompressor-Regelung mit wenigstens 25% Frischluft und mit einem 1,5 kW Motor zeigen, daß sie für diese Bedingun­ gen ebenfalls zufriedenstellend sein würde.
Da die Motor/Elektronik-Kosten die Durchführbarkeit bzw. die Machbarkeit elektrischer Kraftfahrzeug-Klimaanlagen stark be­ einflussen, und da diese Kosten eine gewichtige Funktion der erforderlichen Motorleistung sind, ist die Entwicklung von effi­ zienten Klimaanlagen möglich mit den neuen Frischluft-Regel­ strategien der beschriebenen Art. Eine 1,5 kW Klimaanlage mit einer Kapazität von 4·103 kcal/h (16000 Btu/h) und einem Wir­ kungsgrad von 1 kW/t (1,5 PS/t) sollte für eine Leistungsfähig­ keit sorgen, die gleich oder besser als heutige Systeme sind. Bei diesem Anwendungsfall wird erwartet, daß bürstenlose Gleich­ strommotor-Systeme Wirkungsgrade von 85 bis 90% erreichen, wenn sie speziell für gekapselte Kraftfahrzeug-Klima-Applikationen ausgelegt sind. Dies ergibt einen maximalen elektrischen Bedarf für die Leistungseinspeisung des Fahrzeugs von 1,7 kW, wenn der elektrische Antrieb bei maximalen Kühlbedingungen arbeitet. Die Umgebungsbedingungen, die eine maximale Kühlung erfordern, tre­ ten typischerweise nur während eines kleinen Teils der Kühlsai­ son auf.
Durch die elektrische Klimaanlage werden Leistungseinsparungen erreicht aufgrund der verminderten Last des Wärmetauschers bei verminderten Kompressorströmungsraten im Vergleich zu Standard- Systemen, die bei einer konstanten vollen Kapazität arbeiten. Ein weiterer signifikanter Vorteil ist die Eliminierung der Kom­ pressorkupplungsbelastung und die daraus resultierende Verbesse­ rung des Fahrvermögens des Fahrzeugs. Das Standard-System, bei dem der Kompressor im Zyklus arbeitet, verbraucht 40% mehr Lei­ stung, wenn der Kompressor mit einem elektrischen System ver­ glichen wird, das kontinuierlich arbeitet, um die gleichen 1,6 Tonnen Kühlung zu liefern. Wenn die Kühllast abnimmt, ist die Differenz in der erforderlichen Motorleistung zwischen den zwei Systemen sogar noch signifikanter, da das elektrische System seine Kapazität senken kann, um sich der Last anzupassen. Ande­ rerseits verbraucht das Standard-System mehr Motorleistung mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit, die in keiner Beziehung zu der Kühllast des Fahrzeugs steht.
Untersuchungen haben ergeben, daß der Wechselstromgenerator (Alternator) einen Wirkungsgrad von wenigstens 75% haben müßte, damit der elektrische Antrieb an den Wirkungsgrad von üblichen Riemenantriebssystemen angepaßt ist. Wenn ein hoch-effizienter Kompressor und ein entsprechendes Kühlsystem mit dem Motor ge­ koppelt würden, könnte der Wirkungsgrad des Wechselstromgenerators, bei dem kein Gewinn oder Verlust auftritt, auf etwa 55 % gesenkt werden.
Bestehende Kompressoren sind mit kleinem Volumenwirkungsgrad bei hoher Geschwindigkeit ausgelegt, um die System-Überkapazität zu verkleinern, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Die meisten Krompressoren werden mit einem Hubvolumen von 80 bis 160 cm3 an­ geboten und sind für einen Betrieb in dem Bereich von 1000 bis 3000 U/min optimiert. Da die Größe und Kosten des bürstenlosen Gleichstrommotors in direkter Beziehung zu seiner Drehzahl stehen, erfordert die optimale Auslegung für Kraftfahrzeug-Klima­ anlagen Betriebsdrehzahlen von 8000 bis 10000 U/min. Dies er­ fordert einen Kompressor mit kleinem Hubraum (15 bis 30 cm3), um für eine vernünftige Kapazität bei diesen Betriebsdrehzahlen zu sorgen. Der Kompressor würde durch den Motor direkt angetrie­ ben sein, wodurch die Kosten und das Gewicht einer Kupplungsan­ ordnung vermieden werden.
Vorstehend wurde eine elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug- Klimaanlage beschrieben, die für eine volle Kühlkapazität bei jeder Drehzahl sorgen kann und die für eine Regelung der klima­ tisierten bzw. konditionierten Lufttemperatur sorgen kann, ohne daß eine Wiedererwärmung oder ein Zyklusbetrieb des Kompressors verwendet werden. Die elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug-Kli­ maanlage schützt den elektrischen Motor, der den Kompressor an­ treibt, vor einer Überbelastung, während der Komfort für die Fahrzeuginsassen beibehalten wird.

Claims (9)

1. Verfahren zum Regeln einer elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug-Klimaanlage, gekennzeichnet durch:
  • - Überwachen der vom Fahrer vorgegebenen (Soll-)Temperatur der von der Klimaanlage zu liefernden Luft, des vom Fah­ rer vorgegebenen Anteils der Außenluft zur umgewälz­ ten Luft, die in die Klimaanlage eingeführt werden soll, und der vom Fahrer vorgegebenen Klimaanlagen- Gebläsedrehzahl,
  • - Messen der Ist-Temperatur der gelieferten Luft, der Motorleistung und der Motortemperatur,
  • - Verändern der Motordrehzahl des den Klimaanlagen- Kompressor antreibenden Motors, um die Differenz zwischen der Soll- und Ist-Temperatur der geliefer­ ten Luft zu minimieren,
  • - Positionieren einer Steuerklappe, um den vorgegebenen Anteil der außenseitigen zur umgewälzten Luft zu errei­ chen,
  • - Einstellen der Gebläsedrehzahl auf die Soll-Dreh­ zahl,
  • - Übersteuern bzw. Außerachtlassen der Steuerklappen­ stellung und Verkleinern des Anteiles der Außen­ luft, wenn die Motorleistung oder seine Temperatur vorbestimmte Grenzen überschreiten, so daß die Motorlast verkleinert wird,
  • - Verkleinern der Motordrehzahl, wenn die Motorlei­ stung oder seine Temperatur vorbestimmte Grenzen überschreiten, so daß die Motorlast verkleinert wird,
  • - Übersteuern bzw. Außerachtlassen der vorgegebenen Gebläsedrehzahl und Verkleinern der Gebläsedrehzahl, um die Last auf den Motor zu vermindern, wenn eine zulässige Motortemperatur oder -leistung über­ schritten werden, und
  • - Wiederherstellen der übersteuerten Steuerklappen­ stellung und der Gebläsedrehzahl, wobei sich die Motordrehzahl ändern kann, um die vorgegebene Luft­ temperatur zu erreichen, wenn die Motorleistung und -temperatur zulässige Grenzwerte nicht mehr über­ schreiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleinerung des Anteils der Außenluft fort­ gesetzt wird, bis die minimale Einstellung erreicht ist, nachdem die minimale Einstellung erreicht ist und der Motor immer noch überlastet ist, dann wird die Motordrehzahl verkleinert, um die Motorleistung und -temperatur unter vorbestimmte Grenzen herabzusetzen.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleinerung der Motordrehzahl fortgesetzt wird, bis eine minimale Drehzahl erreicht ist, und nachdem die minimale Drehzahl erreicht ist und der Motor immer noch überlastet ist, dann wird die Ge­ bläsedrehzahl herabgesetzt, um die Motorleistung und -temperatur unter vorbestimmte Grenzen zu senken.
4. Verfahren zum Regeln einer elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug-Klimaanlage, gekennzeichnet durch:
  • - Überwachen der vom Fahrer vorgegebenen Kabinentem­ peratur und des vom Fahrer vorgegebenen Verhältnis­ ses der Außenluft zur umgewälzten Luft,
  • - Messen der Kabinenlufttemperatur, der Motorleistung und der Motortemperatur,
  • - Verändern der Motordrehzahl, um die Differenz zwi­ schen den Soll- und Ist-Temperaturen zu minimieren,
  • - Positionieren einer Steuerklappe, um das vorgegebe­ ne Verhältnis der außenseitigen zur umgewälzten Luft zu erreichen,
  • - Ermittlung einer Gebläsedrehzahl, die auf den vor­ handenen Wert der Motordrehzahl anspricht, wobei die Gebläsedrehzahl mit steigender Motordrehzahl zu­ nimmt,
  • - Einstellen der Gebläsedrehzahl auf den ermittelten Wert,
  • - Übersteuern bzw. Außerachtlassen der Steuerklappen­ stellung und Verkleinern des Anteils der Außenluft, wenn die Motorleistung oder -temperatur vorbestimmte Grenzen überschreitet, so daß die Motorlast verklei­ nert wird,
  • - Vermindern der Motordrehzahl, wenn die Motorleistung oder -temperatur vorbestimmte Grenzen überschreitet, so daß die Motorlast vermindert wird, und
  • - Wiederherstellen der übersteuerten Steuerklappenstel­ lung und Ändern der Motordrehzahl, um den Ist-Wert der Kabinentemperatur zu erreichen, wenn die Motor­ leistung und die Motortemperatur die zulässigen Gren­ zen nicht mehr überschreiten.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verminderung des Anteils der Außenluft fort­ gesetzt wird, bis die minimale Einstellung erreicht ist, und nachdem die minimale Einstellung erreicht ist, dann wird die Motordrehzahl verkleinert, um die Motorleistung und -temperatur unter vorbestimmte Grenzen zu senken.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ermitteln der Gebläsedrehzahl die Gebläse­ drehzahl ermittelt wird, die auf den gegenwärtigen Wert der Motordrehzahl und der Steuerklappenstellung anspricht, wobei die Gebläsedrehzahl mit steigender Motordrehzahl ansteigt und mit Steuerklappenstellun­ gen abnimmt, die die Außenluftströmung vergrößern.
7. Elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug-Klimaanlage, gekennzeichnet durch:
  • - eine Stellklappe (41) zum Steuern des Verhältnisses der Außenluft zur umgewälzten Luft, die der Klima­ anlage zugeführt ist,
  • - ein Gebläse (43) zum Steuern der Geschwindigkeit, mit der klimatisierte Luft zugeführt ist,
  • - einen Kompressor (13),
  • - einen bürstenlosen Gleichstrommotor (11), der mit dem Kompressor hermetisch gekapselt ist und direkt mit diesem verbunden ist,
  • - Mittel (27) zum Überwachen der vom Fahrer vorgege­ benen Temperatur der von der Klimaanlage gelieferten Luft, des vom Fahrer vorgegebenen Anteils der Außen­ luft zur umgewälzten Luft, die in die Klimaanlage zugeführt ist, und der vom Fahrer vorgegebenen Ge­ bläsedrehzahl der Klimaanlage,
  • - Mittel zum Messen der Ist-Werte der Temperatur der gelieferten Luft, der Motorleistung und der Motor­ temperatur,
  • - Mittel zum Verändern der Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors, um die Differenz zwischen den Soll- und Ist-Werten der Temperatur der gelieferten Luft zu minimieren,
  • - Mittel zum Positionieren der Stellklappe, um den vorgegebenen Anteil der Außenluft zur umgewälzten Luft zu erreichen,
  • - Mittel zum Einstellen der Gebläsedrehzahl auf die Soll-Drehzahl,
  • - Mittel zum Übersteuern bzw. Außerachtlassen der Steuerklappenstellung und zum Vermindern des An­ teils der Außenluft, wenn die Motorleistung oder die -temperatur vorbestimmte Grenzen überschreiten, so daß die Motorlast vermindert ist,
  • - Mittel zum Verkleinern der Motordrehzahl, wenn die Motorleistung oder -temperatur vorbestimmte Grenzen überschreiten, so daß die Motorlast vermindert ist,
  • - Mittel zum Übersteuern bzw. Außerachtlassen der vorgegebenen Gebläsedrehzahl, um die Gebläsedrehzahl zu verkleinern, um die Last auf den Motor zu ver­ kleinern, wenn eine zulässige Motortemperatur oder -leistung überschritten sind, und
  • - Mittel zum Wiederherstellen der übersteuerten Steuer­ klappenstellung und der Gebläsedrehzahl derart, daß die Motordrehzahl veränderbar ist, um die vorgegebe­ ne Lufttemperatur zu erreichen, wenn die Motorlei­ stung und -temperatur vorbestimmte Grenzwerte nicht mehr überschreiten.
8. Elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug-Klimaanlage, gekennzeichnet durch:
  • - eine Steuerklappe zum Steuern des Verhältnisses der Außenluft zur umgewälzten Luft, die der Klimaanlage zugeführt ist,
  • - ein Gebläse zum Steuern der Geschwindigkeit, mit der klimatisierte Luft geliefert ist,
  • - einen Kompressor,
  • - einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der mit dem Kompressor hermetisch gekapselt und mit diesem direkt verbunden ist,
  • - Mittel zum Überwachen der vom Fahrer vorgegebenen Kabinentemperatur und des vom Fahrer vorgegebenen Verhältnisses der Außenluft zur umgewälzten Luft,
  • - Mittel zum Messen der Kabinenlufttemperatur, der Motorleistung und der Motortemperatur,
  • - Mittel zum Verändern der Motordrehzahl, um die Dif­ ferenz zwischen der Soll- und Ist-Temperatur zu minimieren,
  • - Mittel zum Positionieren der Steuerklappe, um das vorgegebene Verhältnis der Außenluft zur umgewälzten Luft zu erreichen,
  • - Mittel zum Ermitteln einer Gebläsedrehzahl, die auf den gegenwärtigen Wert der Motordrehzahl anspricht, wobei die Gebläsedrehzahl mit zunehmender Motordreh­ zahl ansteigt,
  • - Mittel zum Einstellen der Gebläsedrehzahl auf den ermittelten Wert,
  • - Mittel zum Übersteuern bzw. Außerachtlassen der Steuerklappenstellung, wobei das Verhältnis der Außenluft verkleinert wird, wenn die Motorleistung oder -temperatur vorbestimmte Grenzwerte überschrei­ tet, so daß die Motorlast verkleinert ist,
  • - Mittel zum Verkleinern der Motordrehzahl, wenn die Motorleistung oder -temperatur vorbestimmte Grenz­ werte überschreitet, so daß die Motorlast verkleinert ist, und
  • - Mittel zum Wiederherstellen der übersteuerten Steuer­ klappenstellung, wobei die Drehzahl des Gleichstrom­ motors veränderbar ist, um die vorgegebene Kabinen­ temperatur zu erreichen, wenn die Motorleistung und die Motortemperatur vorbestimmte Grenzwerte nicht mehr überschreiten.
9. Einrichtung nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ermitteln der Gebläsetemperatur Mittel aufweisen zum Ermitteln einer Gebläsedrehzahl, die auf den gegenwärtigen Wert der Motordrehzahl und der Steuerklappenstellung anspricht, wobei die Geblä­ sedrehzahl mit steigender Motordrehzahl zunimmt und mit Steuerklappenstellungen abnimmt, die die Außen­ luftströmung vergrößern.
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