技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于控制热泵系统的方法和控制单元。此外，本发明涉及一种包括这种控制单元的车辆。
背景技术
[0002]
电动车辆通常设有用于加热、通
风和空气调节的系统(HVAC系统)，并优选采用热泵系统进行加热/冷却。在一些情况下，这种热泵系统的加
热能力不足以提供必要的热能。例如，在非常低的环境
温度下，热泵系统的加热能力可能不足以达到
电池电动车辆(BEV)或插电式混合动力电动车辆(PHEV)的乘客舱的期望温度。这一问题通常通过提供额外的电加热器来解决。额外的电加热器对
工作流体进行加热，然后通过所谓的加热器芯将热量传递至车内。
发明内容
[0003] 本发明的一个目的在于提供一种用于控制热泵系统的方法，通过该方法，能够改善热泵系统的性能。
[0004] 这一目的通过用于控制热泵系统的方法来实现，其中所述热泵系统包括用于压缩所述热泵系统的工作流体的
压缩机和用于提供用以驱动所述压缩机的输出转矩的
电动机，所述方法包括以下步骤：通过加热所述工作流体而回收从所述电动机发出的热量，提供用于所述电动机的第一控
制模式和第二控制模式，以及，以如下所述方式控制所述电动机，即，对于电动机的给定输出转矩，使得在第二控制模式中产生相较于第一控制模式更高的电动机的热损耗。
[0005] 本发明是基于如下认识而做出的，即，驱动热泵系统的压缩机的电动机能够以非最优的方式进行控制以满足加热需求。例如，在热泵系统的加热能力不足的情况下，增加电动机的热损耗，并通过加热工作流体来回收从电动机发出的热量，这可导致来自热泵系统的较高的热量输出(与此同时，由于使用更多的
电能而降低了热泵系统的效率)。换句话说，可以在降低热泵系统的性能系数(COP)的同时提高最大加热能力。由于可以省略为仅在
环境温度非常低时增加热量而提供的额外的加热器，这个设计是有利的。这反过来又提供了成本较低且不太复杂的HVAC系统设计。
[0006] 因此，电动机的“非最优”控制与电动机的效率相关，即，与由电动机提供的输出转矩相比的热损耗量相关，而当电动机在第二控制模式下运行并且通过加热热泵系统的工作流体而回收从电动机发出的热量时，能够改善热泵系统的性能。
[0007] 根据所述方法的一种实施方式，在接收到指示满足预定条件的控制
信号时，根据所述第二控制模式控制所述电动机。由此，能够根据第一控制模式使电动机高效运转，并且能够在需要对热泵系统的工作流体进行额外加热的情况下，将电动机切换到第二控制模式。当不要求额外加热时，由默认设置而优选采用第一控制模式，在默认设置中电动机以可能的最高效率运转，例如在MTPA线(每安培的
最大转矩)或在接近MTPA线处运转。
[0008] 根据所述方法的另外一种实施方式，在接收到指示所述热泵系统的加热能力需求超出
阈值的所述
控制信号时，根据第二控制模式控制所述电动机。例如，如果环境温度非常低，热泵系统的加热能力可能不足以提供达到车辆的乘客舱的期望温度所需的热量。于是，可以至少暂时地以第二控制模式驱动压缩机的电动机，以满足该加热能力需求。
[0009] 根据所述方法的另一实施方式，在接收到指示待进入所述压缩机中的、呈液体状态的工作流体的量超过阈值的控制信号时，根据所述第二控制模式控制所述电动机。由此，可以通过电动机来加热工作流体，以实现工作流体的
汽化，并且避免在低的环境温度下和/或在启动系统时在热泵系统的压缩机中的液体压缩。
[0010] 根据所述方法的另外一种实施方式，在接收到指示工作流体的温度和/或压力低于阈值的控制信号时，根据第二控制模式控制所述电动机。例如，当启动系统时，温度和压力对于工作流体处于液态的情况而言是很好的指示。通过温度和/或压力
传感器，能够指示借由电动机对工作流体进行加热的需要。
[0011] 因此，也可以在因除对于热泵系统的加热能力需求以外的任何其他原因而应当提高热泵系统的工作流体的温度时，将电动机用作热源。
[0012] 能够根据第二控制模式控制所述电动机的另一示例是在低的环境温度下，其中，所述热泵系统的
蒸发器可能需要除霜。与在除霜模式期间使用额外的加热装置不同的是，可以通过来自电动机的热量来提高工作流体的温度以用于对
蒸发器除霜。
[0013] 根据所述方法的另外一种实施方式，以如下所述的方式控制电动机，即，对于电动机的给定输出转矩，导致在第二控制模式中有相较于所述第一控制模式更高的
定子电流。由此，可以在第二控制模式中实现电动机定子的热损耗增加。
[0014] 根据该方法的另外一种实施方式，以如下所述的方式控制所述电动机，即，对于所述电动机的给定输出转矩，使得在第二控制模式中产生相较于第一控制模式更高的所述电动机的定子绕组的热损耗。由此，可实现电动机的热损耗在第一控制模式和第二控制模式之间的较大差异。当绕组中的电流增大且最大热损耗由允许的最大电流所决定时，绕组中的热损耗增大。而这又取决于绕组的
导线和电动机的冷却系统的能力。
[0015] 根据该方法的另外一种实施方式，对于所述电动机的给定输出转矩，在第一控制模式中以第一定子电流
角控制所述电动机，而在第二控制模式中以第二定子电流角控制所述电动机，其中所述第二定子电流角相较于所述第一定子电流角需要更高的定子电流。通过使用非最优的定子电流角，可以增大维持必要的输出转矩所需的电流。增大的电流涉及增大的热损耗。换句话说，通过改变定子电流角，电动机的运转被移动到较低效率的工作点，该较低效率的工作点位于与MTPA线上最高效点相隔更远的
位置上。这优选地通过在第二控制模式中使用相较于第一控制模式更大的定子电流角来实现。
[0016] 根据该方法的另外一种实施方式，以如下所述的方式控制所述电动机，即，对于电动机的给定输出转矩，在第二控制模式中产生相较于所述第一控制模式更高的所述电动机的定子芯的热损耗。作为定子绕组的增大的热损耗的一种替代方案或者在此
基础上额外的，第二控制模式可涉及用于如上所述的将热量传递到热泵系统的工作流体的定子芯热损耗。
[0017] 根据该方法的另外一种实施方式，在所述第一控制模式中以具有基本为正弦周期
波形的定子电流控制所述电动机，并且在所述第二控制模式中以具有非正弦周期波形的定子电流控制所述电动机。由此，由于非
正弦波形与增大的定子芯热损耗相关联，所以在第二控制模式中的热损耗将增大。因此，必须增大定子电流以维持电动机的期望输出转矩。
[0018] 根据所述方法的另一种实施方式，在所述第二模式中以具有基本上为方形的波形的定子电流控制所述电动机。由此，可以使用不复杂的控制策略在第二控制模式中获得增大的热损耗。
[0019] 根据本发明的另外一方面，进一步的目的在于提供一种用于控制热泵系统的控制单元，通过该控制单元可以改善热泵系统的性能。
[0020] 这一目的通过用于控制热泵系统的控制单元来实现，其中所述热泵系统包括用于压缩所述热泵系统的工作流体的压缩机、用于提供用以驱动所述压缩机的输出转矩的电动机、以及用于通过加热所述工作流体而回收从所述电动机发出的热量的装置，并且，所述控制单元被配置为能够提供用于所述电动机的第一控制模式和第二控制模式，并且还被配置为能够以如下所述的方式控制电动机，即，对于所述电动机的给定输出转矩，使得在所述第二控制模式中产生相较于所述第一控制模式更高的电动机的热损耗。
[0021] 所述控制单元的优点与参照本方法的不同实施方式所进行的以上讨论中的优点相类似。在下文的描述和从属
权利要求中公开了本发明的进一步的优点和有利特征。
附图说明
[0022] 下文中参考附图更详细地描述列举为示例的本发明的多种实施方式。
[0023] 在附图中：
[0024] 图1是能够应用本发明方法的热泵系统的示例性实施方式的示意图，[0025] 图2是图1中所示热泵系统的一种变型的示意图，
[0026] 图3是示出根据本发明方法的一种实施方式例子的示意性
流程图，
[0027] 图4是表示作为定子电流的转矩产生分量和定子电流的磁通分量的函数的电动机输出转矩的示意图；
[0028] 图5是表示作为定子电流和定子电流角的函数的电动机输出转矩的示意图。
具体实施方式
[0029] 图1示出了热泵系统1。热泵系统包括：用于压缩热泵系统的工作流体3的压缩机2、用于提供用以驱动压缩机2的输出转矩的电动机4、以及用于通过加热工作流体3来回收从电动机4发出的热量的装置5。压缩机2必须在不同的压缩机速度下运转。通过控制驱动压缩机2的电动机4来提供所要求的速度。在每个速度下，需要特定的转矩。因此，为了维持所要求的压缩机速度，电动机必须提供由来自压缩机的负载确定的转矩。例如，电动机可以是PMSM(永磁同步电动机)型电动机或BLDC(无刷直流电动机)型电动机。
[0030] 热泵系统1还包括蒸发器6、
冷凝器7和诸如膨胀
阀的减压装置8，其中，在蒸发器6中工作流体3被来自周围的热量加热，在冷凝器7中热量被从工作流体传递到周围，而减压装置8用于降低工作流体3的压力。
[0031] 热泵系统的工作原理可以如下。气态的工作流体由压缩机2加压并循环通过系统。在经过压缩机2后，热的高压工作流体3在作为
热交换器的冷凝器7中得到冷却，直至工作流体3冷凝为温度较低的高压液体。冷凝的工作流体3随后经过减压装置8。然后，低压工作流体进入作为另一热交换器的蒸发器6，工作流体3在蒸发器6中吸收热量并被蒸发。之后，工作流体3返回到压缩机2，并重复这一循环。
[0032] 如图1中示意性示出的，工作流体3在进入压缩机2之前也将借助于热回收装置5而从电动机4近旁通过。热回收装置5为用于将热量从电动机4传递到工作流体3的某种适当类型的热交换器。因此，工作流体3用作驱动压缩机2的电动机4的冷却剂。虽然图中未示出，但不仅电动机4可以被冷却，压缩机2也可被用于将摩擦热从压缩机传递到工作流体的工作流体3来冷却。此外，从与电动机4相关联的功率
电子器件发出的任何热量都可被传递给工作流体3。
[0033] 当将热泵系统1应用在车辆上时，冷凝器7将热量传递到乘客舱和/或将热量传递到诸如车辆的电池的任何其它组件。在图1中示意性地示出了乘客舱16。这种热传递可以直接地进行，即从工作流体3传递到空气，或者也可以间接地经由另一工作介质进行。
[0034] 在热泵系统1中循环的工作流体可以是任何合适的介质，诸如例如R-134a、R-1234YF或R-744。
[0035] 在图2中示出了热泵系统10的另一变型。该热泵系统10也可以用于电动
汽车应用中。如图2中示意性地示出的，在加热模式中，即当加热车辆的乘客舱160时，热泵系统10的第一回路150与具有用于加热乘客舱160的加热器芯120的另一第二回路110相互作用。加热器芯120布置于第二回路110中，该第二回路110可以构成例如还用于加热车辆的电池(未示出)的子回路。第二回路的工作流体可以是
水并且通过泵130循环，而热量通过加热器芯120传递到车辆的乘客舱160。此外，热泵系统10中的蒸发器70用于将热量从周围传递到热泵系统的工作流体30，并且利用冷凝器140可将热量从第一回路150传递到设置有加热器芯120的第二回路110。
[0036] 蒸发器70适宜地为组合式蒸发器-冷凝器设备，当蒸发器60用于以冷却模式或AC模式降低乘客舱160的温度时，该组合式蒸发器-冷凝器设备可作为冷凝器工作。
[0037] 在加热模式中，工作流体30以绕过蒸发器60的方式循环。这可以利用处于打开状态的例如是
截止阀的第一阀180来执行。进一步地，工作流体经由布置于第一回路150中且处于冷凝器140和蒸发器70之间的第一减压装置80a循环。
[0038] 为了能够执行蒸发器-冷凝器装置70作为冷凝器工作的冷却模式，工作流体30能够以绕过第一减压装置80a的方式循环。这可以利用处于打开状态的例如是截止阀的第二阀190来执行，而此时第一截止阀180关闭，以使工作流体经由第二减压装置80b和蒸发器60循环。
[0039] 以与参照图1描述的方式相同，图2所示热泵系统中的工作流体30也将在进入压缩机20之前通
过热回收装置50在驱动压缩机20的电动机40近旁通过。热回收装置50适宜地是某种用于将热量从电动机传递给工作流体30的热交换器。因此，热泵系统的工作流体30起到作为驱动压缩机20的电动机40的冷却剂的作用。
[0040] 在图3中以流程图示意性地示出了根据本发明的方法的一种示例性实施方式。该方法包括以下步骤：为电动机提供第一控制模式和第二控制模式，以如下所述的方式控制电动机：在电动机的给定输出转矩下，在第二控制模式中产生相较于第一控制模式更高的电动机的热损耗，以及通过加热工作流体来回收从电动机发出的热量。
[0041] 虽然第一控制模式和/或第二控制模式可能会由操作者选择，但在下述示例中，可以在接收控制信号的基础上通过控制单元自动选择控制模式。
[0042] 如图3中示例性地所示的，在第一步骤100中，通过默认设置在第一控制模式下驱动电动机。在第一控制模式中，电动机优选地以可能的最高效率被驱动，以提供负载所需的输出转矩。这意味着电动机在该电动机的MTPA(MTPA＝最大转矩/安培)线处或附近具有工作点。因此，来自电动机的热损耗被最小化。尽管第一控制模式可以用各种控制方法来执行，但矢量控制是优选的。矢量控制将提供最高的效率。例如，可以使用
磁场定向控制(FOC)和比例积分(PI)
控制器。
[0043] 在接收到指示预定条件得到满足的控制信号12后，根据第二控制模式对电动机进行控制。同样参见图1和图2，该条件例如可以是对超过阈值的热泵系统的加热能力需求。该阈值可以优选地对应于在根据第一控制模式控制电动机时热泵系统的最大加热能力。当然，该阈值可以针对不同的工作条件和应用而变化。为了评估条件是否满足，可以测量一个或多个物理量并且将其与参考值进行比较。因此，控制信号可以基于一个或多个物理量的测量结果和所需的任何计算。例如，如果不能达到车辆乘客舱中的期望温度，则可以提供基于温度测量结果的控制信号，用以指示热泵系统的加热能力不足以及电动机的控制需要切换到第二控制模式。
[0044] 对于使用第二控制模式的其他预定条件，可以满足或不满足热泵系统的加热能力，或者甚至和热泵系统的加热能力无关，但仍然需要增加工作流体的温度。当启动用于避免压缩机中的液体压缩的系统或用于对热泵系统的蒸发器进行除霜的系统时，可能需要对工作流体进行这样的额外加热。
[0045] 例如，可以在接收到指示待进入压缩机中、处于液体状态的工作流体的量超过阈值的控制信号时根据第二控制模式控制电动机。这样的指示可由指示工作流体的温度和/或工作流体的压力低于阈值的控制信号提供。换句话说，工作流体的温度和/或压力可用于指示压缩机中的液体压缩的任何风险。因为至少当系统要启动时工作流体的温度和环境温度之间的关系是已知的，因此可以不测量工作流体的温度而是测量环境温度。仅作为一个示例而言，对于低于-5℃的环境温度，可以使用第二控制模式。此外，仅作为示例而言，对于低于2.5巴(Bar)的工作流体的压力，可以使用第二控制模式。
[0046] 在第二步骤200中，检查是否满足这样的预定条件。如果“是”，即存在激活待应用的第二控制模式的预定条件，则在第三步骤300中，根据第二控制模式执行电动机的控制。否则，如果“否”，则在第一步骤100中应用第一控制模式，直到满足这样的预定条件。
[0047] 假定在第二控制模式下控制电动机，在第四步骤400中，检查是否仍满足预定条件。如果“是”，则在第三步骤300中应用第二控制模式，直到预定条件已经不再存在为止，而如果“否”，则在第一步骤100中应用第一控制模式，直到再次满足这样的预定条件。另外，可以使用要求应用第一控制模式或终止第二模式的其他条件来取代上文讨论的任何预定条件，并使得控制策略返回至第一控制模式。例如，在电动机的冷却不足的情况下，不允许实施第二控制模式。
[0048] 在第二控制模式中，驱动电动机以提供比第一控制模式下更低的效率，而且代之以产生更多的热量来加热工作流体。为了增加从电动机发出的热量，电动机以适当的方式得到控制，在该方式下，对于电动机的给定输出转矩，导致在第二控制模式中有比在第一控制模式中更高的定子电流。
[0049] 优选地，以对于电动机的给定输出转矩、在第二控制模式中产生比在第一控制模式中更高的电动机定子绕组的热损耗的方式控制电动机。由于从定子绕组发散出的热量随着定子电流成平方地增多，增大的定子电流将对热产生能力有很大影响。
[0050] 如上文已经提到的，为了控制电动机，适当地应用矢量控制。作为一个示例，在图4中，由电动机提供的转矩被显示出在(d，q)
坐标系中作为电流的函数。当应用矢量控制时，可在不随时间变化的转动坐标系(d，q)中定义定子电流空间矢量。如在坐标系的上半部分中所示，转矩沿着同一条线是恒定的，其中在距离坐标系的原点最大距离处与q轴相交的转矩线代表最大转矩。
[0051] 对于该坐标系中给定的电流空间矢量，沿q轴的矢量分量是定子电流的转矩产生分量，而沿d轴的矢量分量是定子电流的磁通链分量。
[0052] 对于每条给定的转矩线，可以找到要求最小定子电流的工作点。该工作点提供该给定转矩下的最佳电动机效率，或者该工作点至少非常接近给定转矩下的最佳电动机效率。在图4中以虚线500指示针对相应转矩要求最小电流的工作点。换句话说，该线对应于电动机的MTPA线。
[0053] 图4中用虚线指示的圆600表示针对不同定子电流空间矢量的最大定子电流。圆600与线500相交的、位于坐标系上半部分的点给出了电动机的最大输出转矩。
[0054] 静止坐标系中的另一表现在图5中以示例示出。在此，转矩被表示为定子电流Is和定子电流角θ(Theta)的函数。定子电流角Theta为定子电流领先定子磁通量的角度。(在发电动机模式中，Theta是电流相对于磁通量滞后的角度)。定子电流Is以电动机/压缩系统在连续工作时能够处理的额定电流中的部分给出，即1p.u.代表额定电流。图5指示电动机可在1p.u.下持续提供约21Nm。
[0055] 以与图4类似的方式，图5中的虚线700指示不同转矩所需的最小电流。如果，例如压缩机转矩要求10Nm，则可以在θ≈114度时使用0.5p.u.的定子电流Is来提供该转矩。这种操作适合用于第一控制模式。在第二控制模式中，改变θ以产生增加的热损耗。例如，通过在θ≈163度时使用1.0p.u.电流，仍满足10Nm的转矩需求。然而，与MTPA线处的最高效点相比，该电动机工作点产生了4倍的
电阻损耗。
[0056] 据此，在保持转矩恒定的同时产生了明显更多的热量。在更短的时间期间，也可以使用高于额定电流(＞1p.u.)的定子电流。因此，对于电动机的给定输出转矩，在第一控制模式中优选地以第一定子电流角控制电动机，并且在第二控制模式中以第二定子电流角来控制电动机，其中第二定子电流角需要比第一定子电流角更高的定子电流。
[0057] 不同的电动机将具有不同的性能和特性。因此，电动机的控制必须因此而进行改变。在许多情况下，用于第二控制模式的定子电流Is2优选地为在第一控制模式中的定子电流Is1的1.1-10倍，更优选地，Is2为Is1的1.2-8倍，并且经常是Is2为Is1的1.5-2倍。
[0058] 在第二控制模式中，可以使用相对于第一控制模式中采用的定子电流角增大的定子电流角和减小的定子电流角。适当地，第二定子电流角偏离第一定子电流角至少±10度，优选地偏离至少±15度，并且第二控制模式中的定子电流角θ2与第一控制模式中的定子电流角θ1之间的差经常在15-50度的范围内。
[0059] 换句话讲，当以采用大于第一定子电流角的第二定子电流角的方式运转电动机时，对于第一控制模式中的定子电流角θ1，第二控制模式中的定子电流角θ2可以在是θ1的1.1-2倍的范围内，优选地θ2是θ1的1.2-1.8倍。
[0060] 作为一种替代方案，或者在提供定子绕组的热损耗的控制策略之外，可以以对于电动机的给定输出转矩在第二控制模式中产生相比在第一控制模式中更高的电动机定子芯的热损耗的方式来控制电动机。这可以通过在第一控制模式中采用具有基本为正弦的周期波形的定子电流，以及在第二控制模式中采用具有非正弦周期波形的定子电流控制电动机来执行。在第二模式中优选地采用具有基本上为方波波形的定子电流控制电动机。
[0061] 如图1和图2中示意性地示出的，为了执行在此描述的方法，提供一种用于控制热泵系统的控制单元11。该控制单元适合连接到电动机的用于控制电动机的电力电子装置。控制单元可以包括一个或多个
微处理器和/或一个或多个
存储器装置或用于执行
计算机程序以实施该方法的任何其它组件。因此，该控制单元优选地设置有用于执行上述方法的任何实施方式的所有步骤的计算机程序。此外，控制单元可以是也用于热泵系统的其它功能和/或车辆的任何其它功能的控制器的一部分，或者被设置为一个独立的单元。
[0062] 还如参照该方法所描述的，该控制单元被配置为能够提供用于电动机的第一控制模式和第二控制模式，并且被配置为能够以如下所述的方式控制电动机，即，对于电动机的给定输出转矩，在第二控制模式中产生与第一控制模式相比更高的电动机的热损耗。
[0063] 控制单元11适当地被配置成在接收到指示满足预定条件的控制信号12时根据第二控制模式控制电动机。该控制信号可以基于来自传感器的一个或多个
输入信号13a、13b、13c以及所需的任何计算。在图1和图2中，设置用于比较和/或计算输入信号的单元14以产生控制信号12。这个单元14在图中被绘制为位于控制单元11的外面，但是当然也可以是控制单元11的一个整体组成部分。输入信号13a、13b、13c可以基于与热泵系统或车辆的其它部件或热泵系统/车辆周围相关的一个或多个物理量的测量结果。
[0064] 应理解的是，本发明不限于以上描述的和附图中示出的实施方式，而是，本领域技术人员将认识到，在所附权利要求的范围内可以进行许多改变和
修改。
