DE102019211157A1

DE102019211157A1 - Verfahren zur Steuerung eines Ventilators

Info

Publication number: DE102019211157A1
Application number: DE102019211157.2A
Authority: DE
Inventors: Jochen Westhäuser; Jan-Christoph Albrecht; Carsten Wachsmuth
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2021-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Ventilators (28) einer Wärmepumpenanordnung (14) in einem Fahrzeug (24).Es ist vorgesehen, dass allein durch die Beeinflussung der Drehzahl des Ventilators (28) die zugelassene Vereisung eines Wärmeübertragers (10) so gesteuert wird, dass sich unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen des Fahrzeugs (24) eine möglichst große Gesamteffizienz der Wärmepumpenanordnung (14) einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Steuergerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6 und ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Auf dem technischen Gebiet der Fahrzeuge ist es bekannt, Wärmepumpen zum Zwecke der Beheizung von Fahrzeugen einzusetzen.
Insbesondere bei Elektrofahrzeugen ist es auf Grund der von der energetischen Effizienz abhängenden Reichweite wichtig, elektrische Energie sparsam einzusetzen.
Allerdings benötigen Wärmepumpen in aller Regel elektrische Energie für den Betrieb. Es ist somit anzustreben, den Betrieb der Wärmepumpe energetisch möglichst effizient zu gestalten.
Ein bekanntes Problem stellt dabei der Betrieb der Wärmepumpe unter Vereisungsbedingungen dar, denn Eis oder Reif, das sich am Wärmeübertrager anlagert, mindert die Effizienz der Wärmepumpe. Das Eis muss hier durch zusätzlichen Energieeinsatz abgetaut werden. Im Folgenden wird zur Vereinfachung stets von Eis oder Vereisung gesprochen, wobei dies auch stets die Möglichkeit von Reif oder Bereifung impliziert.
Die US 2015/0107278 A1 und die DE 10 2011 051 285 A1 offenbaren jeweils Verfahren, bei denen die Vereisung eines Wärmeübertragers vermieden wird.
Allerdings hat sich herausgestellt, dass derartige Ansätze nicht zu einer optimalen energetischen Effizienz über einen vollständigen zeitlichen Nutzungsabschnitt führen, wie etwa eine Fahrt vom Start- bis zum Zielort. Zudem sind solche Verfahren sehr aufwendig.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine einfachere technische Lösung bereitzustellen, mit der die Vereisung nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden muss und die insbesondere die energetische Gesamteffizienz einer Nutzungsphase berücksichtigt.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 1, 6 und 7 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen und der Beschreibung.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Ventilators einer Wärmepumpenanordnung eines Fahrzeugs, umfassend die Schritte:

- Betreiben einer Wärmepumpe der Wärmepumpenanordnung in einem Betriebszustand, in dem ein Wärmeübertrager der Wärmepumpe vereist; und
- Ermittlung einer geplanten Trajektorie des Fahrzeugs.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verfahren weiterhin die Schritte umfasst:

- Ermittlung einer energetischen Gesamteffizienz des Betriebs der Wärmepumpenanordnung über die Trajektorie; und
- Regelung einer Drehzahl des Ventilators, so dass sich eine größtmögliche energetische Gesamteffizienz des Betriebs der Wärmepumpenanordnung über die Trajektorie ergibt.

Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass sich bei geringen Luftmassenströmen am Lufteintritt des Wärmeübertragers besonders viel Eis niederschlägt. Dies resultiert daraus, dass bei geringen Luftmassenströmen der Saugdruck im Verdampfer des Wärmeübertragers herabgesetzt werden muss, um eine ausreichende Aufnahme von Wärme aus der Luft zu erreichen. Dies führt wiederum dazu, dass die Menge an Wasserdampf, der auf der Wärmeübertrageroberfläche desublimiert, insbesondere am Lufteintritt, steigt. Der Niederschlag von Eis kann bis hin zur völligen Zusetzung, auch Verblockung genannt, erfolgen.
Allerdings hat sich im Wege experimenteller Untersuchungen herausgestellt, dass eine künstliche Erhöhung des Lustmassenstroms diesem Phänomen effektiv entgegenwirken kann. Wird der Ventilator der Wärmepumpenanordnung im Vereisungsbetrieb des Wärmeübertragers bei sonst gleichbleibenden Randbedingungen mit einer höheren Drehzahl betrieben, führt dies zu einer Verringerung der sich niederschlagenden Eismenge und zu einer Homogenisierung der Verteilung auf der Wärmeübertrageroberfläche.
Dieser Effekt wird im Sinne der Erfindung ausgenutzt, um allein durch die Beeinflussung der Drehzahl des Ventilators die zugelassene Vereisung des Wärmeübertragers so zu steuern, dass sich unter Berücksichtig der Betriebsbedingungen des Fahrzeugs eine möglichst große Gesamteffizienz der Wärmepumpenanordnung einstellt.
Der Heizungsbetrieb wird dadurch deutlich effizienter und insbesondere bei Elektrofahrzeugen kann die Reichweite signifikant gesteigert werden.
Unter dem Begriff der Trajektorie ist im Zusammenhang mit der Erfindung zumindest ein Bewegungspfad des Fahrzeugs, verknüpft mit Zeitinformationen, zu verstehen.
Vorzugsweise enthält die Trajektorie zu jedem Zeitpunkt des Fahrzeugs eine Ortsangabe auf dem Bewegungspfad sowie weiterhin bevorzugt die daraus abgeleiteten Geschwindigkeits- und Beschleunigungsangaben.
Der Bewegungspfad kann dabei auch vereinfacht als gerade Strecke zwischen einem Start- und Zielpunkt betrachtet werden, die gegenüber dem tatsächlichen Bewegungspfad skaliert ist.
Eine beispielhafte einfache Darstellung kann beispielsweise eine Strecke umfassen, die durch eine Aneinanderreihung von Teilstrecken gebildet wird. Jede Teilstrecke symbolisiert dabei einen Abschnitt mit jeweils spezifischer Geschwindigkeit, die innerhalb des Abschnitts als konstant betrachtet wird.
Die Trajektorie kann für denselben Bewegungspfad auch unterschiedliche Geschwindigkeits- und Beschleunigungsangaben enthalten, also Varianten umfassen, die beispielsweise Fahrprofile unterschiedlicher Nutzer des Fahrzeugs abbilden. Vorzugsweise kann die Trajektorie aus einem Navigationssystem entnommen werden.
In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, die Wärmepumpe bei konstanter Fahrgeschwindigkeit zumindest einmal von einem Betriebszustand ohne Vereisung in den Betriebszustand mit Vereisung übergeht und als Reaktion darauf die Drehzahl des Ventilators erhöht wird.
Der einsetzenden Vereisung wird dadurch einfach und effektiv entgegengewirkt, wenn das Fahrzeug nicht durch seine Eigenbewegung eine Erhöhung des Luftmassenstroms durch den Wärmeübertrager bewirkt.
In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass die energetische Gesamteffizienz des Betriebs der Wärmepumpenanordnung über die Trajektorie anhand folgender Parameter ermittelt wird: Effizienz der Wärmepumpe; Leistungsaufnahme des Ventilators; erforderliche Abtauenergie des Wärmeübertragers.
Mit andere Worten wird anhand der geplanten Trajektorie prognostiziert, wie über das Abfahren der Trajektorie unter Berücksichtigung aller relevanten Energieverbraucher der Wärmepumpenanordnung die Gesamteffizienz ausfällt.
Daraus ergibt sich, ob die zu erwartende Gesamteffizienz Verbesserungspotential hat.
In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass Regelgrößen aus einem Modell abgeleitet werden, das die energetische Gesamteffizienz des Betriebs der Wärmepumpenanordnung in Abhängigkeit unterschiedlicher Trajektorien enthält.
Die tatsächlich geplante Trajektorie kann dann zur Auswahl einer Trajektorie aus dem Modell mit der größten Übereinstimmung verwendet werden.
Das Modell kann dann weiterhin Aufschluss geben, wie die Regelgrößen der Wärmepumpenanordnung entlang der Trajektorie zu regeln sind, insbesondere die Drehzahl des Ventilators, um die Gesamteffizienz über die Trajektorie zu maximieren.
In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass das Modell ein Kennfeld umfasst oder ein dynamisches Modell für eine prädiktive Regelung umfasst.
Während ein Kennfeld nach einmaliger Erstellung besonders schnell und einfach verwendbar ist, kann eine prädiktive Regelung zu einer deutlichen Erhöhung der Regelgüte führen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät, ausgebildet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der vorhergehenden Beschreibung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, umfassend ein erfindungsgemäßes Steuergerät gemäß der vorhergehenden Beschreibung.
Mit nochmals anderen Worten zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Ventilators im Vereisungsbetrieb eines Wärmeübertragers.
Tritt eine Vereisung des Wärmeübertragers auf, hängt die Reifbildung und -verteilung stark vom Luftmassenstrom ab. Das heißt konkret, ist der Luftmassenstrom vergleichsweise niedrig, muss der Saugdruck im Verdampfer abgesenkt werden um die gleiche Wärmemenge aus der Außenluft zu aufzunehmen. Dies führt in der Regel dazu, dass mehr Wasserdampf auf der Wärmeübertrageroberfläche desublimiert, vor allem am Wärmeübertragereintritt. Durch die Verblockung des Wärmeübertragereintritts kann keine Luft den Wärmeübertrager mehr durchströmen. Hingegen hat sich bei vergleichsweise hohen Luftmassenströmen in experimentellen Untersuchungen gezeigt, dass sich bei gleichen Randbedingungen weniger Reif auf der Lamelle bildet und dieser sich homogener über die Lamelle verteilen kann.
Die Gesamteffizienz der Beheizung bei einem Vereisungsbetrieb setzt sich neben dem Wärmepumpenbetrieb noch aus der Anzahl, Dauer und Energieaufwand der Abtauvorgänge zusammen. Durch eine Erhöhung der Ventilatordrehzahl in Abhängigkeit der Fahrtgeschwindigkeit kann bei gleichbleibenden Randbedingungen die Reifbildung reduziert und die Reifverteilung homogenisiert werden.
Der Vorteil ist hier, dass die Wärmepumpe länger effizient betrieben werden kann und dadurch auch der Abtauzeitpunkt zeitlich nach hinten verlegt und/oder die abzutauende Reifmasse reduziert werden kann.
Zudem ist in der Betrachtung der Gesamteffizienz die erhöhte Leistungsaufnahme durch den Ventilator miteinzurechnen. Aus den Parametern Abtauenergie, Wärmepumpeneffizienz und Leistungsaufnahme des Ventilators entsteht nun ein neues Optimum für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb. Dadurch kann die Energiemenge zur Beheizung des Fahrzeugs reduziert werden und somit die Reichweite erhöht werden. Die Bestimmung der einzelnen Regel- beziehungsweise Steuergrößen kann anhand eines Kennfelds oder Modells erfolgen. Auch eine prädiktive Regelung kann angewendet werden.
Eine weitere Größe in der Steuerung des Ventilators ergibt sich aus der Fahrtdauer und dem Fahrprofil. Aus den Kennfeldern oder dem Modell kann ein optimaler Betrieb aus der zurückzulegenden Strecke und den Randbedingungen bestimmt werden. Dadurch kann beispielsweise eine optimale Anzahl der Vereisungs-beziehungsweise Abtauzyklen berechnet werden und die Ventilatordrehzahl dementsprechend bestimmt werden.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. Die hierin offenbarte Ventilatorsteuerung kann auch in der stationären Wärmepumpentechnik eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1A-B die Auswirkung einer Ventilatordrehzahl auf das Vereisungsverhalten eines Wärmeübertragers in einem erfindungsgemäßen Verfahren; und
2 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug.

Die 1A und 1B zeigen jeweils einen Wärmeübertrager 10 einer Wärmepumpe 12 in einer Wärmepumpenanordnung 14 (vergleiche 2). Die Wärmepumpenanordnung 14 kann wie in 2 beschrieben erfindungsgemäß betrieben werden.
Zunächst ist in 1A gezeigt, wie sich bei relativ geringem Luftmassenstrom 16, der in den Wärmeübertrager 10 eintritt, Eis 18 an Strömungslamellen 20 des Wärmeübertragers 10 anlagert. Das sich anlagernde Eis 18 ist zudem auch sichtbar inhomogen verteilt und bewirkt nach und nach eine Zusetzung des Wärmeübertragers 10.
In 1B ist derselbe Vorgang bei relativ höherem Luftmassenstrom 22 gezeigt, angedeutet durch die dickeren Pfeile. Im Übrigen sind die Bedingungen dieselben, wie in 1A, wobei die Temperatur und Feuchtigkeit der Luftmassenströme 16, 22 bei Eintritt in den Wärmeübertrager 10 identisch sind.
Die Wärmepumpenanordnung 14 ist Teil eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 24 (siehe ebenfalls 2), das sich mit konstanter Geschwindigkeit fortbewegt. Insofern ist der Unterschied der Luftmassenströme 16, 22 durch andere technisch Maßnahmen begründet, die nachfolgend noch erläutert werden.
In 1B ist ersichtlich, dass sich infolge des höheren Luftmassenstroms 22 deutlich weniger Eis 18 an den Strömungslamellen 20 anlagert. Das sich anlagernde Eis 18 ist zudem auch deutlich homogener verteilt und bewirkt dadurch in doppelter Hinsicht eine sehr viel langsamere Zusetzung des Wärmeübertragers 10.
Die technischen Maßnahmen zur Beeinflussung der Luftmassenströme 16, 22 bestehen in einer Drehzahlregelung eines Ventilators 28, der in 1B mit einer größeren Drehzahl betrieben wird (angedeutet durch dicke Pfeile), als in 1A (angedeutet durch dünnere Pfeile).
2 zeigt das erfindungsgemäße Fahrzeug 24 mit der Wärmepumpenanordnung 14, die Wärmepumpe 12 mit dem Wärmeübertrager 10 sowie den Ventilator 28 umfasst.
Um den zuvor beschriebenen Effekt zu erreichen, wird der Ventilator 28 in einem erfindungsgemäßen Verfahren wie folgt durch ein entsprechend eingerichtetes erfindungsgemäßes Steuergerät 30 gesteuert:

Zunächst fährt das Fahrzeug 24, bei dem es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug handelt,
in der Ausgangssituation mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus.

Die Wärmepumpe 12 kann zunächst in einem Betriebszustand ohne Vereisung betrieben werden und dann beispielsweise in einen Betriebszustand mit Vereisung übergehen. In der Folge beginnt der Wärmeübertrager 10 der Wärmepumpe 12 zu vereisen.
Dem soll nun, wie in den 1A und 1B prinzipiell gezeigt, entgegengewirkt werden und zwar so, dass sich über eine gesamte geplanten Trajektorie des Fahrzeugs 24 eine größtmögliche energetische Gesamteffizienz des Betriebs der Wärmepumpenanordnung 14 einstellt.
Zu diesem Zweck wird zunächst die Trajektorie ermittelt, beispielsweise aus einem Navigationssystem des Fahrzeugs 24 ausgelesen.
Auf dieser Basis wird eine energetische Gesamteffizienz des Betriebs der Wärmepumpenanordnung 14 über die Trajektorie ermittelt. Diese kann beispielsweise unter Berücksichtigung einer Effizienz der Wärmepumpe 12, einer Leistungsaufnahme des Ventilators 28 sowie benötigte Abtauenergie für etwaige erforderliche Abtauvorgänge des Wärmeübertragers 10 berechnet werden.
Nach Ermittlung der Gesamteffizienz können entsprechende Regelgrößen aus einem Modell abgeleitet werden, das vorzugsweise in dem Steuerungsgerät 30 hinterlegt ist. Das Modell liefert in Bezug auf die geplante Trajektorie Regelparameter, die zu einer bestmöglichen energetische Gesamteffizienz des Betriebs der Wärmepumpenanordnung 14 führen.
Dabei kann sich ergeben, dass der Ventilator 28 bereits mit optimaler Drehzahl läuft und insofern akut kein Regelungseingriff erforderlich ist. Andernfalls, wird die Drehzahl gemäß der Regelparameter verändert.
Im vorliegenden Beispiel kann beispielsweise eine geplanten Trajektorie vorliegen, die im Wesentlichen mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeit abgefahren wird.
Dabei kann das Steuergerät 30 beispielsweise berechnen, dass sich die größtmögliche energetische Gesamteffizienz des Betriebs der Wärmepumpenanordnung 14 dann ergibt, wenn die Drehzahl des Ventilators 28 auf einen gegenüber dem aktuellen Wert erhöhten Wert geregelt wird, um so einen notwendigen Abtauvorgang des Wärmeübertragers 10 bis zum Ende der Fahrt hinauszuzögern.
Bezugszeichenliste

10: Wärmeübertrager
12: Wärmepumpe
14: Wärmepumpenanordnung
16: Luftmassenstrom
18: Eis
20: Strömungslamelle
22: Luftmassenstrom
24: Fahrzeug
28: Ventilator
30: Steuergerät

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

US 2015/0107278 A1 [0006]
DE 102011051285 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Ventilators (28) einer Wärmepumpenanordnung (14) eines Fahrzeugs (24), umfassend die Schritte: - Betreiben einer Wärmepumpe (12) der Wärmepumpenanordnung (14) in einem Betriebszustand, in dem ein Wärmeübertrager (10) der Wärmepumpe (12) vereist; - Ermittlung einer geplanten Trajektorie des Fahrzeugs (24); dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin die Schritte umfasst: - Ermittlung einer energetischen Gesamteffizienz des Betriebs der Wärmepumpenanordnung (14) über die Trajektorie; und - Regelung einer Drehzahl des Ventilators (28), so dass sich eine größtmögliche energetische Gesamteffizienz des Betriebs der Wärmepumpenanordnung (14) über die Trajektorie ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (12) bei konstanter Fahrgeschwindigkeit zumindest einmal von einem Betriebszustand ohne Vereisung in den Betriebszustand mit Vereisung übergeht und als Reaktion darauf die Drehzahl des Ventilators (28) erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die energetische Gesamteffizienz des Betriebs der Wärmepumpenanordnung (14) über die Trajektorie anhand folgender Parameter ermittelt wird: Effizienz der Wärmepumpe (12); Leistungsaufnahme des Ventilators (28); erforderliche Abtauenergie des Wärmeübertragers (10).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Regelgrößen aus einem Modell abgeleitet werden, das die energetische Gesamteffizienz des Betriebs der Wärmepumpenanordnung (14) in Abhängigkeit unterschiedlicher Trajektorien enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell ein Kennfeld umfasst oder ein dynamisches Modell für eine prädiktive Regelung umfasst.
Steuergerät (30), ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Fahrzeug (24), umfassend ein Steuergerät (30) nach Anspruch 6.