用于控制循环工艺系统的方法以及压缩组件与流程

本发明涉及一种用于控制循环工艺系统的方法、用于执行该方法的一种计算单元和一种计算机程序以及一种压缩组件。

背景技术：

1、制冷循环工艺系统、如热泵或空调机包括制冷剂回路，在该制冷剂回路中布置有压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。借助于膨胀阀来对这样的制冷循环工艺系统的热功率进行控制，有待蒸发的量的制冷剂通过该膨胀阀进入到蒸发器中。在蒸发器下游布置有压缩机，该压缩机抽出所蒸发的制冷剂并且因此在蒸发期间将压力保持恒定。尤其借助于压缩机的转速来设定蒸发压力，在制冷剂以提高的压力和提高的温度进入到冷凝器中之前，该压缩机压缩所蒸发的制冷剂，该制冷剂在该冷凝器中又被液化。

2、能够如此控制有待蒸发的量的制冷剂，使得制冷剂在蒸发过程结束时存在作为过热的气体，以便阻止由于制冷剂的液态的组成部分而损坏压缩机。在此，在制冷循环工艺系统中，在蒸发器之后的温度能够表现为用于膨胀阀的控制/调节参量。如果进入到蒸发器中的制冷剂多于对于所要求的热功率所需的制冷剂，则温度会下降，随后膨胀阀降低制冷剂量，反之亦然。

3、然而，对制冷剂量的这样的间接的控制/调节需要预先给定的过热温度(过热温度的目标值)距制冷剂的饱和温度的足够的安全间距，该安全间距与系统的对应的效率损失相关联。

技术实现思路

1、按照本发明提出了具有独立权利要求特征的一种用于借助于循环工艺系统的物理模型来控制循环工艺系统的方法、一种压缩组件以及用于执行该方法的一种计算单元和一种计算机程序。有利的设计方案是从属权利要求以及下面说明书的主题。

2、本发明实现了对制冷循环工艺系统的控制，该制冷循环工艺系统按照系统中的物理规律来控制制冷剂流。

3、循环工艺系统包括具有工作物质的回路，其中，在回路中布置有至少一个膨胀装置和至少一个压缩装置。工作物质具有预先确定的热力学的物质特性，如例如沸腾线、露线以及与压力和温度相关的潜热。术语“潜热”表示在相变时所吸收或所释放的焓。回路优选是闭合的管路系统，工作物质在该回路中循环。在下文中，该回路也表示循环工艺系统的主级侧。

4、工作物质在膨胀装置前方以液态的形式存在并且在膨胀装置中降低压力到第一预先确定的压力。在此，工作物质在对应于第一预先确定的压力的饱和温度的情况下按照其热力学的物质特性蒸发并且在此从周围环境吸收热量。在膨胀装置之后的第一预先确定的压力能够根据所使用的工作物质的蒸汽压力曲线按照所期望的冷却性能来确定。制冷剂r134a(c2h2f4)在1bar的压力的情况下例如具有-26℃的饱和温度。

5、术语“周围环境”应该理解为任何介质，热量能够从回路传递到该介质处，或者热量能够从该介质传递到回路中。在下文中，“周围环境”也表示循环工艺系统的次级侧。

6、气态的工作物质随后在压缩装置中被压缩到第二预先确定的压力，由此工作物质的压力和温度上升。回路中的工作物质在压缩装置之后的温度的优选高于循环工艺系统的次级侧的温度，从而工作物质将热量输出到该次级侧处。如果温度低于饱和温度(该饱和温度在提高的第二预先确定的压力的情况下根据工作物质的热力学的物质特性而具有较高的值)，则工作物质在回路中冷凝并且在膨胀装置前方又以液态的形式存在。制冷剂r124a(c2h2f4)在17bar压力的情况下例如具有60℃的饱和温度。这能够实现即使在较高的周围环境温度的情况下也利用适当的压缩来冷凝该制冷剂。

7、优选循环工艺系统是热泵，该热泵能够不仅用于冷却而且也用于加热。特别优选循环工艺系统是空调机、尤其是具有电驱动装置的机动车辆中的空调机。优选工作物质是制冷剂、如例如r134a(c2h2f4)、r1234yf(c3h2f4)或者r744(co2)。

8、膨胀装置能够是具有可变的开口横截面的膨胀阀。膨胀阀能够机械地、电气地或电子地控制。优选膨胀装置是具有可变的开口横截面的电子地控制的膨胀阀。压缩装置优选是压缩机(增压器)、如例如涡旋压缩机、叶片式压缩机、活塞式压缩机或斜盘式压缩机。

9、工作物质在回路中沿流动方向在膨胀装置与压缩装置之间被蒸发。在该区域中，回路例如能够包括管道环路，由此能够为从循环工艺系统的次级侧到主级侧上的热传递提供更大的表面。回路的这一区域在下文中表示蒸发器。替代地，蒸发器也能够是独立的构件，该构件沿流动方向在膨胀装置与压缩装置之间与回路联接。

10、此外，工作物质在回路中沿流动方向在压缩装置与膨胀装置之间被冷凝。在该区域中，回路同样能够包括管道环路，由此能够为从循环工艺系统的主级侧到次级侧上的热传递提供更大的表面。回路的这一区域在下文中表示冷凝器。替代地，冷凝器也能够是独立的构件，该构件沿流动方向在压缩装置与膨胀装置之间与回路联接。

11、此外，循环工艺系统包括至少一个热负载件和至少一个热传输装置。

12、“热负载件”应该理解为(空间-)体积和/或(构件-)质量，应该从其引走热量或者给其供应热量。这意味着，至少一个热负载件布置在循环工艺系统的次级侧上。优选热负载件是内部空间、尤其(电动-)车辆的内部空间和/或构件、优选车辆的构件、尤其电池，该电池存储有用于驱动电动车辆的电流。

13、目前优选使用在电动车辆中的锂离子电池的最佳的温度范围例如处在15℃与35℃之间，从而通常通过与车辆的空调机的制冷剂回路的连接部来实现对电池的调温。由此得到具有两个并联的子回路的循环工艺系统，其中一个子回路对内部空间调温，并且另一个子回路提供电池调温。

14、热传输装置应该理解为构件/组件，该构件/组件支持从循环工艺系统的主级侧到次级侧的热传输。特别地，热传输装置应该用于将工作物质冷凝时有待耗散的热量传递到循环工艺系统的次级侧上的介质处。热传输装置能够集成到冷凝器中，其方式为：该冷凝器例如实施为工作物质/空气热交换器或者实施为工作物质/液体热交换器。作为替代方案或附加方案，热传输装置能够具有风扇，该风扇在循环工艺系统的次级侧上布置在冷凝器的区域中。特别优选热传输装置是冷凝器，其实施为工作物质/空气热交换器并且具有风扇。

15、循环工艺系统的物理模型优选使用下述物理模型，该物理模型描绘了系统的主级侧和次级侧上的组件的物理学，也就是说优选存在至少一个膨胀装置和压缩装置的子模型、具有蒸发器和冷凝器的管路系统的子模型、以及至少一个热传输装置的和至少一个热负载件的子模型。优选此外将工作物质的以及下述流体的热力学的物质特性集成到物理模型中，该流体用于循环工艺系统的次级侧上的热传递。因此，能够计算出回路中的在循环工艺系统的主级侧上的工作物质流、次级侧上的流体流以及循环工艺系统的相关的部位处的压力和温度。这些参量能够不仅用于对系统的控制而且也用于为各个组件的控制/调节提供目标值。在此，提供相比于已知的控制/调节方法不同的目标值，该目标值能够实现其他调节策略并且此外能够实现附加的优化潜力。

16、按照本发明，确定或者说计算回路中的工作物质流，其中，所计算的工作物质流基于至少一个热负载件的热功率。这意味着，根据在循环工艺系统的次级侧上的热负载件(例如车辆内部空间调温或电池调温)的所要求的热功率来计算回路中在循环工艺系统的主级侧上所需的工作物质流。

17、工作物质流能够是工作物质的体积流和/或工作物质的质量流。优选工作物质流是工作物质的质量流。“热负载件的热功率”应该理解为所需的有待耗散的或有待供应的热流，以用于实现热负载件之中/之处所期望的温度。

18、在下文中，根据强烈简化的公式来描述物理模型的作用方式。物理模型附加地描绘了循环工艺系统的各个构件之间的热传导以及工作物质根据其物理状态(aggregatzustand)的特性。

19、借助于循环工艺系统的物理模型，能够根据次级侧上的流体的想要的/需要的输出温度按照公式(1)来计算循环工艺系统的次级侧上的负载件的所要求的热功率：

20、

21、在此，表示次级侧上的热功率，表示次级侧上的热传递的流体的质量流，cs表示次级侧上的流体的蓄热能力，并且表示次级侧上的流体的输入温度。

22、由次级侧上的所要求的热功率与主级侧上的有待提供的热功率之间的能量守恒来计算主级侧上的有待蒸发的工作物质流。

23、主级侧上的热功率按照公式(2)为：

24、

25、其中，表示主级侧上的有待蒸发的工作物质质量流，并且δhv表示工作物质流的由于蒸发所致的焓变化，该焓变化由工作物质的热力学的物质特性在第一预先确定的压力的情况下得到。

26、因此，就而言，在忽略热传导损失以及工作物质的温度特性依赖于相位的变化的情况下，对于主级侧上的有待蒸发的工作物质质量流得到：

27、

28、依赖于所计算的工作物质流来控制压缩装置的调整参量。换句话说，借助于合适的调整参量来如此控制压缩装置，使得提供所计算的工作物质流为此，压缩装置例如能够具有特性曲线，该特性曲线表明随工作物质流变化的调整参量的值。该特性曲线例如能够存储在压缩装置的计算单元中或者循环工艺系统的中央计算单元中。

29、压缩装置的调整参量优选是压缩机的转速，该转速借助于脉宽调制或者通过数据总线系统(例如通过本地互连网络(lin，local interconnect network))按照压缩机的特性曲线由计算单元来控制。

30、此外，如此控制膨胀装置，使得设定工作物质在从膨胀装置出来的出口处的第一预先确定的压力。“从膨胀装置出来的出口”在此应该尤其理解为从蒸发器出来的出口。按照工作物质的热力学的物质特性，通过将膨胀装置控制到第一预先确定的压力来设定配属的饱和温度。

31、优选根据循环工艺系统的边界条件(周围环境条件、工作物质)以及热负载件的要求来选择第一预先确定的压力。例如第一预先确定的压力不能选择得过低，以便避免蒸发器的结冰。另一方面，在用于车辆内部空间的空调机的情况下压力也不能选择得过高，以便例如避免异味问题。因此，能够针对不同的应用情况来不同地设定在膨胀装置之后的压力水平。

32、优选依赖于在从膨胀装置出来的出口处的第一预先确定的压力来控制膨胀阀的开口横截面和/或打开持续时间。在此，能够借助于物理模型来确定压力，并且如此操控膨胀阀，使得设定开口横截面和/或打开持续时间，由此实现第一预先确定的压力。优选膨胀阀是下述阀，在该阀中，通过对应的阀位置、例如利用lin总线接头来设定开口横截面。

33、对循环工艺系统的所描述的基于物理的控制能够实现更为容易且精确地设定工作物质流在压缩装置的输入端处的过热温度。因此，过热温度能够选择得较小，由此改善循环工艺系统的效率。此外，按照本发明的控制降低了压缩装置中的损耗以及调整参量中的波动，从而在循环工艺系统运行期间能够避免噪声及振动问题。

34、优选在计算工作物质流时考虑到工作物质在进入到压缩装置中的入口处的第一预先确定的温度。换句话说，工作物质优选在蒸发之后被过热到第一预先确定的温度，以便阻止由于制冷剂的液态的组成部分而损坏压缩装置。工作物质的、用于在第一预先确定的压力的情况下实现预先确定的温度(过热温度)的所需的焓变化δh′v能够由工作物质的热力学的物质特性得知。因此，对于所需的工作物质质量流在考虑到过热温度的情况下得到：

35、其中，δh′v＞δhv(4)

36、优选此外计算在从压缩装置出来之后用于对回路中工作物质进行冷凝的热功率。基于工作物质的第二预先确定的压力以及所计算的工作物质流来进行这种计算。第二预先确定的压力对应于在压缩装置之后的压力，并且得到转速。

37、因为工作物质在压缩之后的温度高于饱和温度，所以工作物质必须首先冷却到饱和温度。因此有待从工作物质耗散的焓δh′k高于用于冷凝所需的焓δhk。

38、因此，在从压缩装置出来之后用于对回路中的工作物质进行冷凝的有待耗散的热功率计算成：

39、其中，

40、在此，表示用于冷凝工作物质所需的热功率，表示有待冷凝的工作物质质量流，其在闭合回路中的准稳态的观察的情况下等于有待蒸发的工作物质质量流并且δh′k表示为了在第二预先确定的压力的情况下冷凝工作物质而有待耗散的焓，其由工作物质的热力学的物质特性得到。

41、基于用于冷凝工作物质的所计算的热功率优选随后借助于循环工艺系统的物理模型来计算通过热传输装置的流体流，根据该流体流来控制热传输装置的调整参量。

42、在忽略热传导损失以及工作物质的温度特性的依赖于相位的变化的情况下，按照循环工艺系统的主级侧与次级侧之间的能量守恒，次级侧上的流体流计算成

43、

44、其中，cs表示次级侧上的流体的蓄热能力，表示循环工艺系统的次级侧上的流体的输入温度，并且表示输出温度。循环工艺系统的次级侧上的流体能够不仅是气态的流体、如空气，或者能够是液体。

45、例如在使用工作流/空气热交换器的情况下，热传输装置的调整参量能够是风扇的转速，该转速与流体质量流成比例并且能够因此非常容易地依赖于该流体质量流来控制。

46、特别优选地，在计算通过热传输装置的流体流时考虑到工作物质在进入到膨胀装置中的入口处的第二预先确定的温度。换句话说，工作物质在冷凝之后被过冷到第二预先确定的温度，以便保证在膨胀装置前方不会形成蒸汽泡。工作物质的、用于在第二预先确定的压力的情况下实现第二预先确定的温度(过冷温度)的所需的焓变化δh″k能够由工作物质的热力学的物质特性得知。因此，在考虑到过冷温度的情况下对于所需的流体质量流得到

47、其中，δh″k＞δh′k(7)

48、对循环工艺系统的次级侧上的、用于将工作物质冷却到在膨胀装置前方的所期望的温度水平的必需的流体流的计算能够实现的是，优化通过热传输装置的热排放并且因此提高循环工艺系统的功率。

49、按照一种优选的实施方式，循环工艺系统的主级侧上的回路包括第一子回路和第二子回路，该第一子回路具有用于循环工艺系统的次级侧上的第一负载件的第一膨胀装置，该第二子回路具有用于循环工艺系统的次级侧上的第二负载件的第二膨胀装置。特别优选子回路平行于彼此布置并且在压缩装置前方通到共同的管路中。

50、如果如前面描述的那样电动车辆的空调机除了对车辆内部空间调温外还用于对电池调温，则例如能够使用该实施方式。在此，首先基于第一负载件的热功率来计算第一子回路中的第一工作物质流。而后基于第二负载件的热功率来计算第二子回路中的第二工作物质流。以与前面针对唯一的负载件描述的那样的相同的方式来对各个工作物质部分流进行计算。通过计算各个工作物质部分流，即使在两个并联的热负载件的情况下也保证了在进入到压缩装置中的入口处的必需的过热温度。

51、由第一工作物质流和第二工作物质流的总和来计算回路中的总工作物质流，根据该总工作物质流来控制压缩装置的调整参量。这意味着，能够以与唯一的负载件那样相同的方式来对压缩装置进行控制。

52、优选如此控制第一膨胀装置，使得设定工作物质在从第一膨胀装置出来的出口处的第一预先确定的压力。在此能够根据循环工艺系统的运行模式选择该压力。针对电池表现为第一负载件的情况，如果并不要求车辆内部空间调温，则例如能够仅按照对电池的调温的要求来选择第一预先确定的压力。如果两个热负载件都激活，则必须按照两个负载件的要求来选择压力。优选通过第一膨胀装置来按照针对两个负载件的要求对第一预先确定的压力进行控制，也就是说在第二膨胀装置之后也存在该第一预先确定的压力。

53、优选依赖于第二子回路中的所计算的工作物质流以及工作物质在从第一膨胀装置出来的出口处的第一预先确定的压力来对第二膨胀装置进行控制。换句话说，通过控制第一膨胀装置来预先给定在第二膨胀装置之后的压力，从而能够利用第二膨胀装置的开口横截面/打开持续时间来设定通过第二子回路的部分工作物质流。因为压缩装置为两个子回路提供必需的总工作物质流，所以自动地得到针对第一子回路的所要求的工作物质流。相比于借助于压缩装置来控制压力，这能够实现在两个并联的工作物质流回路的情况下改善地控制在膨胀装置之后压力。

54、按照一种优选的实施方式，求取回路中的(实际)工作物质流并且将所求取的工作物质流与所计算的工作物质流比较。而后基于所求取的工作物质流与所计算的工作物质流之间的差值来设定或者说控制压缩装置的调整参量。优选如此设定压缩装置的调整参量，使得所求取的工作物质流对应于所计算的工作物质流。按照一种实施方式，借助于流量传感器来测量回路中的第一预先确定的位置处的工作物质流。作为替代方案或附加方案，能够根据进入到压缩装置中的输入端处的所测量的温度和/或在压缩装置之后的所测量压力来估计工作物质流。

55、优选压缩装置本身装备有流量传感器。作为替代方案或附加方案，流量传感器的预先确定的位置能够处在膨胀装置与压缩装置之间。在后者情况下，特别优选流量传感器以预先确定的间距布置在进入到压缩装置中的入口的前方，以便避免例如由于回流所致的测量误差。能够使用体积流量传感器或质量流传感器。特别优选使用质量流传感器。

56、基于所测量的工作物质流来控制压缩装置的调整参量提供的优点是，能够补偿循环工艺系统的物理模型与实际系统之间的偏差。因此，例如能够对系统中的由老化引起的变化作出反应。

57、压缩装置的调整参量优选是压缩机的转速，该转速借助于脉宽调制或者通过数据总线系统(例如通过本地互连网络(lin))按照压缩机的特性曲线由计算单元来控制。

58、优选压缩装置本身装备有计算单元，该计算单元接收所计算的和所测量的工作物质流的值，并且根据接收值来控制调整参量。在该计算单元中能够存储有压缩装置的附加的特征参量、如调整参量的最小值和最大值和/或压缩装置的功率极限，在调节时能够考虑到这些附加的特征参量。具有压缩装置(或者说一般地泵)、计算单元和流量传感器的对应的压缩组件本身也是本发明的主题。

59、优选此外借助于压力传感器来测量回路中的第二预先确定的位置处的工作物质的压力。压力传感器在回路中的预先确定的位置优选处在蒸发器的下游、在蒸发器与压缩装置之间。特别优选压力传感器直接处在蒸发器之后。

60、将所测量的工作物质压力与工作物质在从膨胀装置出来的出口处的第一预先确定的压力比较，并且基于所测量的工作物质压力与第一预先确定的压力之间的差值来控制至少一个膨胀阀。

61、优选在此如此控制膨胀阀的开口横截面和/或打开持续时间，使得实际的工作物质压力对应于从膨胀装置出来的出口处的第一预先确定的压力。在此，根据压力传感器位置距从膨胀装置出来的出口的间距能够考虑到管路中的压力损失，从而也能够将所测量的工作物质压力调节到与第一预先确定的压力不同的值。

62、优选附加地借助于温度传感器来测量回路中的第三预先确定的位置处的工作物质的温度。温度传感器的预先确定的位置优选处在冷凝器的下游、在冷凝器与至少一个膨胀装置之间。特别优选温度传感器直接处在膨胀装置前方。

63、而后将所测量的温度与工作物质在进入到膨胀装置中的入口处的预先确定的温度比较，并且基于所测量的工作物质温度与预先确定的温度之间的差值来控制热传输装置的调整参量。在此，根据温度传感器位置距进入到膨胀装置中的入口的间距能够考虑到管路中的温度损失，从而也能够将所测量的工作物质温度调节到与预先确定的温度不同的值。

64、通过调节工作物质的压力和温度能够补偿实际的循环工艺系统与物理模型的偏差，该偏差例如可能由于系统中的老化过程而出现。这即使在系统的更长的运行时间的情况下也能够实现循环工艺控制的改善的精度。

65、按照本发明的计算单元、例如机动车辆的控制器尤其在程序技术方面设立用于执行按照本发明的方法。

66、以具有用于执行所有方法步骤的程序代码的计算机程序或计算机程序产品的形式来实现按照本发明的方法也是有利的，因为这引起了特别低的成本，尤其如果进行实施的控制器还用于另外的目并且因此本来就存在的话。最后设置了一种机器可读的存储介质，其具有存储在其上的、如上面描述的计算机程序。用于提供计算机程序的合适的存储介质或者说数据载体尤其是磁性的、光学的和电的存储器，如例如硬盘、闪存、eeprom、dvd等。通过计算机网络(互联网、内联网等)来下载程序也所述可行的。在此能够有线地或者说有线连接地或者无线地(例如通过wlan网络、3g-、4g-、5g-或6g-连接等)来进行这样的下载。