DE102014200224A1

DE102014200224A1 - Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Pumpe im Wärmeübertragungsmedium-Kreislauf eines Wärmepumpen-Systems

Info

Publication number: DE102014200224A1
Application number: DE102014200224.9A
Authority: DE
Inventors: Robert HERBOLZHEIMER
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2015-07-09
Also published as: WO2015104141A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Pumpe im Kühlkreislauf eines Wärmepumpen-Systems in einem Fahrzeug zur Beeinflussung der Durchflussrate des Volumenstroms eines Wärmeübertragungs-Mediums im Kühlkreislauf eines Wärmepumpen-Kondensators oder Gaskühlers, wobei im Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler ein Wärmeaustausch zwischen dem im Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittel und dem im Wärmeübertragungs-Medium-Kreislauf zirkulierenden Wärmeübertragungs-Medium stattfindet. Erfindungsgemäß wird während eines Betriebszustands, bei dem im Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler die Wärme des im Kältemittelkreislauf zirkulierenden und unter Druck stehenden Kältemittels an das im Wärmeübertragungs-Medium-Kreislauf zirkulierende Wärmeübertragungs-Medium abgegeben wird, die Pumpe zur Beeinflussung der Durchflussrate des Volumenstroms im Wärmeübertragungs-Medium-Kreislauf in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur des Wärmeübertragungs-Mediums gesteuert oder geregelt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Pumpe im Kreislauf eines Wärmeübertragungs-Mediums eines Wärmepumpen-Systems in einem Fahrzeug zur Beeinflussung der Durchflussrate des Volumenstroms eines Wärmeübertragungs-Mediums in diesem Kreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Grundsätzlich ist bereits bekannt, dass bei Heiz-Klimaanlagen mit einem Wärmepumpensystem im Heizbetrieb mit einer geeigneten Kältekreislaufverschaltung Wärme am Verdampfer und/oder am Außenwärmetauscher aufgenommen und zum Heizen verwendet wird. Eine derartige Heiz-Klimaanlage mit einem Wärmepumpensystem ist bspw. aus der DE 102 53 357 B4 bekannt.
Weiter ist es bei den bekannten Wärmepumpensystemen derzeit üblich, die einzelnen Komponenten des Kältekreislaufs zum Erreichen einer gewünschten Temperatur entsprechend zu steuern oder zu regeln. Die DE 101 26 257 A1 offenbart bereits ein Wärmepumpensystem, wobei der Kältemittelverdichter zum Erreichen einer erforderlichen Leistung grundsätzlich regelbar ist.
Weiter ist bekannt, dass bei Wärmepumpen-Systemen im Wärmepumpen-Kondensator zumindest in bestimmten Betriebssituationen des Wärmepumpen-Systems ein Wärmeaustausch zwischen dem im Kältemittel-Kreislauf zirkulierenden Kältemittel und einem im Kühlkreislauf zirkulierenden Wärmeübertragungs-Medium stattfindet. So offenbart die DE 10 2012 105 314 A1 ein Wärmepumpen-System für ein Fahrzeug mit einem Wärmepumpen-Kondensator, an dem im Heizbetrieb zusätzlich Wärme aus der Abwärme elektrischer Fahrzeugkomponenten aufgenommen werden kann. Dazu ist der Wärmepumpen-Kondensator mit dem niederdruckseitigem Kältemittelkreislauf verbunden, so dass die Wärme des aufgeheizten Kühlmittels niederdruckseitig zur Wärmeaufnahme der Wärmepumpe beiträgt. Die im Kühlreislauf angeordnete Wasserpumpe zur Steuerung der Durchflussrate der Wasserpumpe kann dabei in Abhängigkeit von der Temperatur der Abwärme der elektrischen Verbraucher, der Temperatur des Kühlmittels und der Temperatur des Kältemittels angesteuert werden.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Pumpe zur Beeinflussung der Durchflussrate des Volumenstroms eines Wärmeübertragungs-Mediums im Wärmeübertragungs-Medium-Kreislauf eines Wärmepumpensystems anzugeben, durch das auf einfache und effiziente Weise ein schnelles Bereitstellen der notwendigen Leistung des Wärmepumpensystems ermöglicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Das erfindungsgemäße Verfahren, sowie dessen vorteilhafte Ausgestaltungen können mittels eines implementierten Algorithmus oder einer entsprechenden Baugruppenanordnung in zumindest einer dafür vorgesehenen Steuer- oder Regelvorrichtung, insbesondere in einer Klimasteuervorrichtung umgesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich für ein Wärmepumpensystem vorgesehen, wobei der Kältemittelkreislauf des Wärmepumpensystems zumindest einen Außenwärmetauscher, einen Kältemittelverdichter zum Fördern von Kältemittel, einen Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler, der über einen weiteren Wärmeübertragungs-Medienkreislauf bzw. Kühlkreislauf die Luft zur Beheizung des Innenraums erwärmt, und Kältemittelleitungen, über die die vorgenannten Komponenten miteinander verbunden sind, umfasst. Weiter umfasst der Wärmeübertragungs-Medienkreislauf bzw. Kühlkreislauf zumindest eine Wasserpumpe, durch die die Durchflussrate des Volumenstroms des Wärmeübertragungs-Mediums steuerbar ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Anfahren bzw. bei Betriebsaufnahme des Wärmepumpen-Systems im Heizbetrieb im Wärmepumpen-Kondensator aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen den beiden den Wärmepumpen-Kondensator durchströmenden Medien (Kältemittel und Wärmeübertragungs-Medium bzw. Kühlmittel) eine Wärmeabgabe des Kältemittels an das Wärmeübertragungs-Medium stattfindet, wodurch ein langsamerer Aufbau der notwendigen Heizleistung einhergeht. Dies wird insbesondere aufgrund der Zirkulation des Wärmeübertragungs-Mediums verstärkt.
Zur Begrenzung der ungewollten Wärmeabgabe und dem Ermöglichen eines schnellen Aufspannens des Wärmepumpenkreislaufs zum Aufbau der Heizleistung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass während eines Betriebszustands, bei dem im Wärmepumpen-Kondensator die Wärme des im Kältemittelkreislauf zirkulierenden und unter Druck stehenden Kältemittels an das im Wärmeübertragungs-Medium-Kreislauf zirkulierende Wärmeübertragungs-Medium abgegeben wird (z. B. anfänglicher Heizbetrieb des Wärmepumpen-Systems), die Pumpe zur Beeinflussung der Durchflussrate des Volumenstroms im Wärmeübertragungs-Medium-Kreislauf in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur des Wärmeübertragungs-Mediums gesteuert oder geregelt wird. Vorteilhafterweise wird die Pumpe dabei in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur des Wärmeübertragungs-Mediums im Wärmepumpen-Kondensator oder der aktuellen Temperatur des Wärmeübertragungs-Mediums im Heiz-Wärmetauscher des Kühlkreislaufs gesteuert oder geregelt.
Zur einfachen Steuerung oder Regelung der Pumpe kann in einer Speichereinheit eine Kennlinie hinterlegt sein, welche abhängig von der Temperatur des Wärmeübertragungs-Medium einen Ansteuerwert bereitstellt, der aussagt, mit welcher Leistung bzw. Drehzahl die Pumpe betrieben werden soll, d. h. die Pumpe wird in Abhängigkeit einer von der Ist-Temperatur des Wärmeübertragungs-Mediums abhängigen Kennlinie gesteuert.
Alternativ kann die Pumpenansteuerung auch direkt in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuert werden. So kann die Pumpe derart gesteuert oder geregelt werden, dass sich bei niedrigen Temperaturen des Wärmeübertragungsmediums eine geringere Durchflussrate des Volumenstroms des Wärmeübertragungs-Mediums einstellt, als bei höheren Temperaturen des Wärmeübertragungs-Mediums.
In einer besonders einfachen und vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Pumpe bei einer Temperatur des Wärmeübertragungs-Mediums, die kleiner als ein vorgegebener erster Temperatur-Grenzwert ist, vollständig abgeschaltet oder derart angesteuert werden, dass lediglich eine geringe erste Durchflussrate des Volumenstroms erreicht wird (= 1. niedriger Sollwert, z. B. Ansteuerung der Pumpe mit 5% der Gesamtleistung). Ist oder wird die Temperatur des Wärmeübertragungs-Mediums größer als ein vorgegebener zweiter Temperatur-Grenzwert (der mit dem ersten Temperatur-Grenzwert identisch oder größer sein kann), kann die Pumpe zunächst angeschaltet und/oder (falls sie bereits angeschaltet war) derart angesteuert werden, dass eine höhere bzw. eine vorgegebene zweite Durchflussrate des Volumenstroms erreicht wird. Bspw. kann die Pumpe dann mit 30% der Gesamtleistung betrieben werden.
Sind der erste und zweite Temperatur-Grenzwert nicht identisch, so kann bei Temperaturen des Wärmeübertragungs-Mediums, die zwischen den beiden Temperatur-Grenzwerten liegen, eine zwischen den beiden Leistungsstufen derart definierte Ansteuerung der Pumpe vorgenommen werden, so dass ein geeigneter Übergang von der ersten Durchflussrate auf die zweite Durchflussrate stattfindet (z. B. über eine Rampe).
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
1 ein vereinfachtes beispielhaftes Schema zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer Wasserpumpe eines Wärmeübertragungs-Medienkreislaufs eines Wärmepumpen-Systems, und
2 eine von der Temperatur des Wärmeübertragungs-Mediums abhängige Ansteuer-Kennlinie für die Wasserpumpe.
Auf eine detaillierte Darstellung eines Wärmepumpen-Systems, das zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums verwendet wird, wobei im Wärmepumpen-Kondensator ein Wärmeaustausch zwischen dem im Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittel und dem im Wärmeübertragungs-Medium-Kreislauf bzw. Kühlkreislauf zirkulierende Wärmeübertragungs-Medium stattfindet, wird hier verzichtet, da sie bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Das Verfahren startet in Schritt 10 sobald ein Betriebszustand BZ1 erkannt wird, bei dem im Wärmepumpen-Kondensator die Wärme des im Kältemittelkreislauf zirkulierenden und unter Druck stehenden Kältemittels an das im Wärmeübertragungs-Medium-Kreislauf bzw. Kühlkreislauf zirkulierende Wärmeübertragungs-Medium abgegeben werden könnte. Ein derartiger Betriebszustand BZ1 kann bspw. im Heizbetrieb des Wärmepumpen-Systems vorliegen, wenn das Wärme-Übertragungsmedium im Wärmeübertragungs-Medienkreislauf noch sehr kalt ist (z. B. beim Anfahren/Aufheizendes Fahrzeugs). Bei dem Wärmeübertragungs-Medium kann es sich um Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch, wie es oft in Fahrzeugen zum Einsatz kommt, handeln.
Wird ein derartiger Betriebszustand BZ1 erreicht oder erkannt, wird im nächsten Schritt 20 die Temperatur T des Wärmeübertragungs-Mediums WÜ-M im Wärmepumpen-Kondensator eingelesen. Diese Temperatur T kann entweder mittels eines dafür vorgesehenen Sensors gemessen oder aus vorliegenden Parameterwerten berechnet werden. Anschließend wird im nächsten Schritt 30 in Abhängigkeit der vorliegenden Temperatur T des Wärmeübertragungs-Mediums WÜ-M aus einer abgespeicherten Ansteuerkennlinie KL ein Ansteuerwert für die Wasser- bzw. Wassergemisch-Pumpe ermittelt und veranlasst, dass die Wasserpumpe derart gesteuert oder geregelt wird, dass sich der Ansteuerwert der Kennlinie KL einstellt.
Ein Beispiel für eine abgespeicherte Kennlinie KL ist in 2 dargestellt, wobei hier als Wärmeübertragungs-Medium von einem Wasser-Glykol-Gemisch ausgegangen wird. Die 2 zeigt, dass die Wasserpumpe WP solange außer Betrieb bleibt, solange die Temperatur T des Wasser-Glykol-Gemisches WÜ-M kleiner als ein vorgegebener Temperatur-Grenzwert, der bei ca. 24°C liegt. Sobald 24°C erreicht sind, wird die Wasserpumpe in Betrieb genommen, und derart gesteuert oder geregelt, dass diese schnell hochfährt und dann mit 30% der Gesamtleistung der Wasserpumpe WP betrieben wird.
Durch das hier dargestellte Verfahren kann auf einfache und kostengünstige Weise ein schnelles Aufspannen bzw. Aufheizen des Kältemittelkreislaufs des Wärmepumpen-Systems im Heizbetrieb aufgrund einer Begrenzung der Wärmeabgabe an den Wärme-Übertragungs-Medienkreislauf erreicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10253357 B4 [0002]
DE 10126257 A1 [0003]
DE 102012105314 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Pumpe im Kühlkreislauf eines Wärmepumpen-Systems in einem Fahrzeug zur Beeinflussung der Durchflussrate des Volumenstroms eines Wärmeübertragungs-Mediums im Kühlkreislauf eines Wärmepumpen-Kondensators oder Gaskühlers, wobei im Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler ein Wärmeaustausch zwischen dem im Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittel und dem im Wärmeübertragungs-Medium-Kreislauf zirkulierenden Wärmeübertragungs-Medium stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Betriebszustands (BZ1), bei dem im Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler die Wärme des im Kältemittelkreislauf zirkulierenden und unter Druck stehenden Kältemittels an das im Wärmeübertragungs-Medium-Kreislauf zirkulierende Wärmeübertragungs-Medium (WÜ-M) abgegeben wird, die Pumpe (WP) zur Beeinflussung der Durchflussrate des Volumenstroms im Wärmeübertragungs-Medium-Kreislauf in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur (T) des Wärmeübertragungs-Mediums (WÜ-M) gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Pumpe (P) in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur (T) des Wärmeübertragungs-Mediums (WÜ-M) im Wärmepumpen-Kondensator oder Gaskühler, oder der aktuellen Temperatur (T) des Wärmeübertragungs-Mediums (WÜ-M) im Heiz-Wärmetauscher des Wärmeübertragungs-Medium-Kreislaufs gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (WP) in Abhängigkeit einer Kennlinie (KL) gesteuert oder geregelt wird, wobei die Kennlinie (KL) einen Ansteuerwert (%) für die Pumpe (WP) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) des Wärmeübertragungs-Mediums (WÜ-M) vorgibt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (WP) derart gesteuert oder geregelt wird, dass sich bei niedrigen Temperaturen (T) des Wärmeübertragungsmediums (WÜ-M) eine geringere Durchflussrate des Volumenstroms des Wärmeübertragungs-Mediums (WÜ-M) einstellt, als bei höheren Temperaturen des Wärmeübertragungs-Mediums.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (WP) bei einer Temperatur (T) des Wärmeübertragungs-Mediums (WÜ-M), die kleiner als ein vorgegebener erster Temperatur-Grenzwert (TG) ist, abgeschaltet wird oder derart angesteuert wird, dass eine geringe Durchflussrate des Volumenstroms erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (WP) bei einer Temperatur (T) des Wärmeübertragungs-Mediums (WÜ-M), die größer als ein vorgegebener zweiter Temperatur-Grenzwert (TG) ist, angeschaltet oder derart angesteuert wird, dass eine höhere Durchflussrate des Volumenstroms erreicht wird als bei Temperaturen (T), die kleiner als der vorgegebene erste oder zweite Temperatur-Grenzwert (TG) sind.