CN105813611B - 用于控制到车辆座椅内空气单元的空气供给的sma阀 - Google Patents

Abstract

本发明针对一种用于控制到车辆座椅内空气单元的空气供给的SMA阀，包括控制单元和温度传感器，该控制单元布置成在预定循环中打开阀，通过向SMA线供给启用电源，每个循环具有预定启用开始和停止时间，SMA线又作用在阀元件上以对于每次循环在SMA线达到阈值温度缩短时打开阀，温度传感器用于感测SMA线周围的环境温度。根据本发明，控制单元布置成接收来自温度传感器的温度信号并根据由温度传感器感测的温度确定启用延迟时间和停用延迟时间，并分别对启用延迟时间和停用延迟时间矫正启用开始时间和期待能够停止时间，以提供矫正的启用开始时间和矫正的启用停止时间以用于下一次循环。

Description

用于控制到车辆座椅内空气单元的空气供给的SMA阀

本发明涉及用于控制车辆座椅内空气单元的空气供给的SMA阀，包括布置成在预定循环中打开阀的控制单元和温度传感器，每个循环通过向SMA先供给电启用电源而具有预定启用开始和停止时间，SMA线又在达到阈值温度SMA线缩短时作用在阀元件上以对每个循环打开阀，温度传感器用于感测SMA线周围的环境温度。

机动车辆的驾驶员和乘客尤其在驾驶长距离时，通常经受由于就座于车辆座椅内时长期的静态姿势造成的不适。这不仅感到不舒服且造成例如背痛，而且还导致健康的永久性伤害，特别是职业司机，如出租车、卡车和公交车司机。为了提供补救，汽车工业从某时提供具有可调节腰部空气支承和靠垫以及座椅靠背内的一体式按摩系统。座椅内的腰部支承靠垫通过用加压空气充胀它们并在所需状态将它们关闭来充胀空气单元来调节。在按摩系统中，各系列的空气单元顺次充胀和放泄以提供按摩效果。

用于车辆座椅的按摩系统例如在US5,135,282A中公开。一系列可充胀空气单元靠近座椅靠背覆盖物的内表面沿座椅靠背设置。供给线结构从泵接收压缩空气并将该压缩空气供给到各空气单元以顺次充胀/放泄该系列的空气单元。为此目的，供给线结构包括将串联的各空气单元互联的公共供给线以及将该系列的空气单元互联的排气或通气管线，该排气管线能够向环境打开进行通气以将空气单元放泄。为了形成沿从座椅靠背下端处第一单元开始且一个单元接一个单元持续到座椅靠背上端的最后一个单元的所述系列的空气单元的传播顺序充胀，设置多个可控阀和控制单元。原理上，有每个空气单元上游的可控阀以允许单独控制每个单元的充胀/放泄，以及控制通气的其它阀。由于按摩系统中各空气单元的数量是相当多的，例如一个车辆座椅24个空气单元，各阀的数量相应地多。

类似的，在具有可调节腰部支承和靠垫的车辆座椅中，存在阀以打开空气单元来供给加压空气直到所需压力水平，并在所需压力水平下关闭空气单元。

电磁阀技术上非常适合用作车辆座椅的按摩系统和腰部支承以及靠垫系统中的可控阀。通常，在该领域中采用常闭型电磁阀，其中柱塞被弹簧推压，使得柱塞的密封表面被压到阀上以将阀保持在关闭状态。通过向阀的螺线管施加电流，柱塞通过电磁作用抵抗弹簧的偏置力被抬离阀座，且当电流供应通过控制单元停止时，柱塞通过弹簧力立即返回到其密封位置。电磁阀因此可通过控制单元以精确时序操作，在必须实现一系列相继空气单元的所需顺序的充胀/放泄的情况下，这在座椅按摩系统中是非常重要的。另一方面，电磁阀相对昂贵、体积大且重，使得尤其对于利用大量阀的车辆座椅按摩系统来说替代的更简单的阀设计会是有用的。

另一类型的可控阀是所谓的SMA阀，其中SMA代表“形状记忆合金”。SMA阀包括壳体、柱塞、将柱塞推压到关闭位置的弹簧、以及能够作用在柱塞上的致动器，使得致动器在启用时在柱塞上施加力，将柱塞远离阀座移动到打开位置并只要致动器启用就将其保持在该位置。在该情况下，致动器包括由形状记忆合金制成的构件，通常是这种材料的金属线或这种材料的小窄条。SMA材料在阈值温度下改变其微观结构，使得SMA构件在超过阈值温度时缩短。具体来说，SMA材料在室温下处于具有马氏体特性的金属状态，而该结构在约80℃的阈值温度下转变成奥氏体结构。由于该转变，SMA线缩短，其中该缩短用于提供作用在柱塞上的力以将其移动到打开位置。

例如在DE 10 2005 060 217 Al中描述了一种SMA阀。公开的SMA阀具有SMA线，该SMA线在其相对端固定在安装于壳体内的印刷电路板。在其中心位置，SMA线与印刷电路板的平面间隔开，使得其具有倒V形状，其中SMA线的倒V的顶点连接到柱塞。为了启用SMA线以执行转变，将电流供应到SMA线以增加其温度超过阈值温度。SMA线的缩短导致垂直于且引导到印刷电路板的力，使得SMA线将柱塞拉向印刷电路板并拉离阀座。

由于在通常应用中，SMA线的直径相当小，通常小于0.1mm，必须注意限制到SMA线的电源供给，使得其超过阈值温度，但恰好处于线会融化的温度以下。为此目的，上述类型的已知SMA阀还装备有温度传感器以感测SMA线周围的环境温度。根据SMA线的环境温度，然后确定需要多少能量来安全地加热SMA线超过其阈值温度但保持其恰好低于融化温度。给定环境温度下适当的电源供给可例如取自存储在控制单元内的查询表，该查询表例如已经对于阀中存在的特定SMA线类型经验地确定。

SMA阀的缺点在于其启用的时序难以控制。当启用循环通过向SMA线供给特定电源而开始时，其花费一些时间，直到SMA线达到转变温度为止，且因此造成转变到阀的启用状态；该启用延迟时间根据环境温度变化。同样，当启用循环通过停止到SMA线的电源供应而终止时，其花费一些时间直到SMA线通过热交换冷却到其阈值温度以下为止。当然，该冷却时间或停用延迟时间还取决于环境温度，甚至比启用延迟时间程度更大。

出于这些原因，SMA阀通常不用于按摩系统，因为不能实现各个空气单元充胀/放泄循环的所需时序。对于车辆座椅的腰部支承或靠垫的应用中，时序方面较不关键。但是，在这些应用中，可以在例如乘客致动腰部支承以将其放泄时，实际放泄不会立即开始，当乘客有第一次致动尝试失效的印象时，这会引起重复进一步致动，这是恼人的。

本发明的目的是提供SMA阀和以改进控制特性控制SMA阀的方法，改进的控制特性的形式为缩短的启用延迟和停用延迟时间，这使得它们适于启用车辆座椅按摩系统和车辆座椅的腰部支承和靠垫的应用。

该目的通过包括权利要求1特征的SMA阀和包括权利要求7特征的方法来实现。本发明的较佳实施例在从属权利要求中阐述。

根据本发明，SMA阀的控制单元布置成使用从温度传感器接收的温度信号并根据由温度传感器感测的温度确定启用延迟时间和停用延迟时间。对于特定类似类型的SMA阀，取决于温度的延迟时间可通过改变环境温度的同时重复测量延迟时间事先经验地确定。时间依赖性可例如存储成查询表的形式，该查询表将温度与启用延迟时间和停用延迟时间关联。实践中，实际相关温度的温度范围可分成例如1℃宽度的多个温度间隔，且对于每个间隔，相关的平均启用延迟时间和平均停用延迟时间存储在查询表中。或者可根据温度拟合启用和停用延迟时间的经验数据，且拟合函数参数可由控制单元使用通过对当前测得的具体温度应用逆函数来计算启用延迟时间和停用延迟时间。

控制单元然后还布置成矫正用于启用延迟时间的启用开始时间并矫正用于停用延迟时间的启用停止时间以提供矫正的启用开始和停止时间以用于下一次循环。该矫正可例如通过分别从启用开始时间和启用停止时间来推导启用延迟时间和停用延迟时间来实现。这样，操作SMA阀的取决于温度的延迟时间的影响显著减小。

在本发明的较佳实施例中，进一步改进SMA阀的操作的时序控制。在该实施例中，SMA阀设有感测装置，该感测装置通过确定阀达到打开状态的打开时间和阀开始从打开状态转变到关闭状态的关闭时间来感测SMA阀的启用和停用。控制单元还布置成对于当前完成的循环将启用开始时间和启用停止时间与由感测装置确定的实际打开时间和实际关闭时间比较，且如果发现任何偏差，则对于当前循环发现的偏差进一步矫正对于下一次循环的矫正的启用开始时间和矫正的启用停止时间。这样，在本情况下SMA阀与该类型SMA阀的取决于平均温度行为的实际偏差可单独补偿。系统偏差可例如根据温度之外的环境条件而发生，例如湿度、空气流量等。

在较佳实施例中，感测装置是感测SMA阀的输出侧上压力的压力传感器，SMA阀的输出侧上的压力对应于空气单元内的压力，其中控制单元布置成分析取决于时间的压力传感器信号以确定阀的打开和关闭时间。打开时间可例如确定为可识别压力信号的上升边缘的时间。该关闭时间可通过识别压力信号中的常量或零斜率时间而由控制单元确定。

在优选替代实施例中，感测装置布置成探测指示阀元件已经达到打开位置的阀元件的位置。这种感测装置可例如通过布置在阀元件上的导体来提供，该导体布置成当阀元件处于打开位置时闭合电路；在打开位置由控制单元探测到闭合电路；或者这种感测装置可由磁传感器来提供，该磁传感器感测打开位置内阀元件的存在，或者这种感测装置可通过探测处于打开位置的阀元件的光屏障来提供。

在另一方面，本发明涉及用于车辆座椅的支承或按摩系统，包括多个空气单元和多个阀以控制到空气单元的空气流量。在该系统中，存在包括用于感测SMA阀的实际启用和停用的感测装置的至少一个SMA阀，其允许确定阀达到打开状态的打开时间和各阀开始转变到关闭状态的关闭时间。该系统中的其它SMA单元中的至少一个是未设有这种感测装置的从属SMA阀，其中包括感测装置的SMA阀布置成通信确定的打开和关闭时间，且其中至少一个从属SMA阀布置成接收该打开和关闭时间，其中至少一个从属SMA阀的控制单元还布置成对于当前完成的循环将启用开始时间和启用停止时间与从包括感测装置的至少一个其它SMA阀的接收的打开时间和接收的关闭时间比较，且如果发现偏差，则对于本循环的偏差进一步矫正矫正的启用开始时间和矫正的启用停止时间以用于下一次循环。该布置基于这样的考虑，在具有车辆座椅内彼此靠近定位的SMA阀的按摩系统中，可能影响SMA阀的时序行为的环境条件对于相同系统的所有阀是非常类似的。因此，仅对一个阀确定实际打开时间和实际关闭时间并将这些时间通信到所有其它阀就可足以在矫正的启用开始时间和矫正的启用停止时间的进一步矫正中使用它们。在这种布置中，原理上仅需要用于SMA阀中一个的感测装置，其中其余SMA阀可具有简单设计而没有感测装置。

下文中将结合附图更详细描述本发明，附图中：

图1示出根据本发明SMA阀的示意性框图；

图2示出作为时间函数的图表，示出对于常规SMA阀的启用和停用延迟时间；

图3示出根据时间的阀操作图表，具有用于根据本发明实施例的SMA阀的时序信号的自适应矫正；以及

图4示出根据本发明较佳实施例的SMA阀的控制单元的操作的流程图。

图1示出根据本发明SMA阀的某些重要部件的示意性框图。SMA阀具有其中设有柱塞形式阀元件2的壳体。该阀元件2具有密封顶端，该密封顶端在阀元件2的关闭位置临靠阀座，该阀座位于阀壳体内侧阀端口的端部处。在该阀端口的外端处，进入箭头指示加压空气供给。阀元件2通过弹簧元件(未示出)偏置到所示关闭状态，其中阀元件2的密封顶端关闭阀端口。

SMA阀还包括与用于向SMA线8提供可调节电平电源的电路组合的控制单元6。SMA线8具有相对于阀的壳体固定的两个相对端部。SMA线8的中心部分与柱塞接合。应指出，SMA线8在图1中沿其延伸的弯曲路径仅是示意性的且意指SMA线8的缩短会导致阀元件2从其闭合状态缩回的力。

为了打开用于进入加压空气的阀，控制单元2控制电路以提供用于SMA线8的启用电源。由于其电阻，通过启用电源在SMA线8内产生热量，且温度增加超过阈值温度，使得SMA线8将阀元件2拉离阀座以将阀带入打开状态，在打开状态加压空气流入并进一步流过流出端口到达所连接的空气单元(未示出)。预定循环终止时，控制单元8终止到SMA线8的启用电源供应，这又冷却到阈值温度以下。此后，弹簧元件(未示出)的偏置力将阀再次带入到关闭状态。

图1中所示的SMA阀还包括温度传感器12、压力传感器14、以及位置传感器16。这些传感器的功能将在下文描述。原理上，理想的是直接测量SMA线本身的温度。但是，出于实践原因，仅能够测量靠近SMA线周围的空气温度。原因是SMA线具有非常小的直径，如上文指出的，且因此具有非常低的热容。与线导热接触的温度传感器会造成从小直径线到温度传感器的热流动，这会将线局部冷却，这会导致不理想的效果和不精确的温度读数。

图2示出常规SMA阀的操作。最上面的图显示了具有两个相继矩形脉冲的所需循环时序，其中矩形脉冲指示阀的理想启用状态，其中表示阀处于打开状态，而在矩形脉冲之外的时间，表示阀处于关闭状态。

中部的图表示出取决于时间的常规SMA阀的SMA线的电启用。应指出，矩形脉冲形状仅是示意性的；电功率水平可在循环中变化，尤其较佳的是开始于相当高的水平以将线快速加热，并然后降低所供给的电功率水平来避免过热。

下部图表示出SMA阀的状态作为时间函数，其中矩形脉冲指示SMA阀打开的相位。如图2可以看到的，在电启用的上升边缘与SMA阀的打开时间之间的启用延迟时间，因为需要该启用延迟时间来通过电启用功率将SMA线加热到超过阈值温度。显然，这种启用延迟时间取决于环境温度(且可能取决于SMA线启用的历史)。例如，在冬季，车辆内的温度在车启动时可能在-20℃。当乘客车厢加热到例如+20℃时，启用延迟时间的时序已经改变。这更为适用于停用延迟时间，其如图2所示为启用信号的下降边缘与阀的实际关闭之间的延迟时间。该停用延迟时间是使SMA线通过与环境的热交换从阈值温度以上冷却到阈值温度以下的温度所需的冷却时间。当然，热交换的速率取决于线与环境之间的温差。因此，停用延迟时间甚至比启用延迟时间更关键地取决于温度。

对于给定类型的SMA阀，可以在预期测量范围内从测量到测量改变环境温度的同时测量启用延迟时间和停用延迟时间。启用延迟时间和停用延迟时间的时间依赖性能以例如查询表的形式记录，查询表将每个温度与启用延迟时间和停用延迟时间关联。例如，从负20℃到正80℃的所需测量范围可分成100个1℃宽度的间隔。一步1℃宽度内的所有温度与实验预先确定的相同平均启用延迟时间和相同平均停用延迟时间关联。这样，可产生具有100个温度值和相应的启用延迟时间和停用延迟时间的查询表并储存在控制单元内。温度传感器12测得的温度然后分配给最佳拟合温度间隔，且相应的启用延迟时间和停用延迟时间通过控制单元从查询表检索。控制单元然后可对于确定的启用延迟时间和确定的停用延迟时间矫正下一循环的启用开始时间和启用停止时间，以提供用于下一循环的矫正启用开始和停止时间。这已经大大降低了启用延迟和停用延迟时间的影响。

但在较佳实施例中，通过施加适应性时序控制来进一步改进时序控制。由于其它变化的环境影响，这可能也影响启用延迟时间和停用延迟时间，矫正的启用开始时间和矫正的启用停止时间仍导致SMA阀的启用循环偏离所需启用循环。这在图3中指示，其中上部图表中用于三个相继循环的SMA阀的所需启用循环由三个相继启用脉冲指示。控制单元然后使用取决于温度的预定启用延迟时间和停用延迟时间来对于这些延迟时间矫正用于SMA线的电启用循环，例如通过从启用开始时间推导启用延迟时间并从启用停止时间推到停用延迟时间来提供矫正的启用开始和停止时间。

如图3中部的图表中指示的，通过感测装置测得的由SMA阀执行的实际循环仍然从上部图表中所示的预期启用循环偏离一定程度，尽管使用了矫正启用开始和停止时间。这种偏离可能是由于环境的变化，这也影响启用延迟时间和停用延迟时间。其它该类环境影响因素可以是湿度和空气流量，它们可能影响SMA阀与环境之间的热交换。

在本发明的该较佳实施例中，现在考虑到温度矫正的启用开始和停止时间可能仍然导致SMA阀的实际启用循环与所需启用循环相比的偏差。启用开始时间和启用停止时间与理想启用开始时间和理想启用停止时间的这些偏离在刚刚完成的启用循环中进行确定。假设如果在对于下一循环进一步校正启用开始时间和停止时间中不考虑这些偏差，下一循环会发生相同偏差，该控制单元现在布置成对于这些偏离进一步矫正用于下一循环的矫正启用开始和停止时间。这在图3中由来自图3的下部图表中第一脉冲的箭头指示，其用于指示对于第一次循环SMA阀的实际致动循环中发现的偏差传递到用于中部第二次循环的矫正启用开始和停止时间的进一步矫正。使用用于该第一次循环中发现的偏差的该进一步矫正导致图3的下部图表中所示的进一步矫正第二循环，该进一步矫正第二循环与用于第二循环的所需启用循环符合良好。启用开始和停止时间的这种适应性进一步矫正是非常有效的，因为其可假设实现时序的环境条件不在相继循环之间快速变化，而是在当前循环和下一循环中实质上相同，使得第一循环中用于偏离的进一步矫正对于第二次循环的进一步矫正仍然有效。通过阀的实际启用开始和停止时间与所需启用开始和停止时间的这种比较，可能例如发现使用预定取决于温度的启用延迟和停用延迟时间仍导致与所需时间的偏离，例如使用矫正的启用开始和停止时间可能导致这样的实际启用循环，该实际启用循环与启用开始时间和启用停止时间相比提早1秒开始且提早1.5秒结束。然后对于开始时间1秒的偏差和停止时间1.5秒的偏差可用于对下一次循环进一步矫正温度矫正的启用开始和停止时间。该进一步矫正基于如果没有这种进一步矫正，在下一次循环中还存在相同的偏差的假设。通过使用进一步矫正，时序控制自适应地调整为控制特性随时间的变化。

图4示出流程图，该流程图示出用于较佳实施例中SMA阀的启用开始和停止信号的自适应矫正。如所指示的，控制单元接收环境温度的测量值并确定相关的启用延迟时间和相关的停止延迟时间，除了来自预定查询表的这种温度以外。该控制单元通过从启用开始时间推导启用延迟时间以及从启用停止时间推导停用延迟时间来确定矫正启用开始和停止时间。然后SMA阀用这些矫正控制信号操作。此后，探测到SMA阀的实际打开和关闭，并将打开和关闭时间与理想启用开始和停止时间比较。如果发现当前完成循环中的任何偏差，则对下一次循环矫正的启用停止时间为对于当前完成循环中阀的理想启用开始和停止时间与测得的开始和停止时间之间发现的偏差的进一步矫正。

Claims (8)

1.一种用于控制车辆座椅内空气单元的空气供给的SMA阀，包括布置成在预定循环中打开阀的控制单元以及温度传感器，每个循环通过向SMA线供给启用电源而具有预定启用开始和停止时间，SMA线又在达到阈值温度SMA线缩短时作用在阀元件上以对每个循环打开阀，所述温度传感器用于感测所述SMA线周围的环境温度，其特征在于，

所述控制单元布置成接收来自所述温度传感器的温度信号并根据由所述温度传感器感测的温度确定启用延迟时间和停用延迟时间，并分别对于所述启用延迟时间和所述停用延迟时间矫正所述启用开始时间和所述启用停止时间，以提供矫正启用开始时间和矫正启用停止时间以用于下一次循环。

2.如权利要求1所述的SMA阀，其特征在于，设置感测装置，所述感测装置感测所述SMA阀的启用和停用以确定所述阀达到打开状态的打开时间和所述阀开始变换到关闭状态的关闭时间，所述控制单元还布置成对于当前完成的循环将所述启用开始时间和所述启用停止时间与由所述感测装置确定的所述打开时间和所述关闭时间比较，并如果发现任何偏差，则对于当前循环中发现的偏差进一步矫正矫正的启用开始时间和矫正的启用停止时间用于下一循环。

3.如权利要求2所述的SMA阀，其特征在于，所述感测装置是压力传感器，所述压力传感器感测所述SMA阀的输出侧上的压力，所述输出侧上的压力对应于所述空气单元内的压力，其中所述控制单元布置成分析取决于时间的压力传感器信号来确定所述阀的打开和关闭时间。

4.如权利要求2所述的SMA阀，其特征在于，所述感测装置布置成用于探测所述阀元件的位置，指示所述阀元件是否处于关闭状态。

5.如权利要求4所述的SMA阀，其特征在于，所述感测装置布置成通过安装到所述阀元件的导体、通过感测所述阀元件处于打开位置的磁传感器或通过探测所述阀元件处于其打开位置的光屏障探测所述阀元件处于所述打开位置，所述导体布置成当所述阀元件处于所述打开位置时闭合电路。

6.一种用于车辆座椅的支承和按摩系统，包括多个空气单元和控制到所述空气单元的空气流量的多个阀，其中所述多个空气单元包括至少一个根据权利要求2的SMA阀和至少一个从属的根据权利要求1所述的SMA阀，所述至少一个从属SMA阀没有用于感测所述SMA阀的启用和停用的感测装置，其中根据权利要求2的至少一个SMA阀能够将打开时间和关闭时间通信到所述至少一个从属SMA阀，且其中所述至少一个从属SMA阀的所述控制单元还布置成对于当前完成的循环将所述启用开始时间和所述启用停止时间与接收的所述打开时间和所述关闭时间比较，并如果发现任何偏差，则对于当前循环中发现的偏差进一步矫正矫正的启用开始时间和矫正的启用停止时间用于下一循环。

7.一种用于控制SMA阀的方法，用于根据预定循环控制到车辆座椅内空气单元的空气供应，其中通过向所述阀的SMA线供给启用电源，SMA线又作用在阀元件上以对每次循环将所述阀打开，所述SMA阀打开以向空气单元供给空气，每个循环具有启用开始和启用停止时间，

测量所述SMA线周围的环境温度，

根据由温度传感器感测的温度，获取预定启用延迟时间和预定停用延迟时间，

对于所述获取的启用延迟时间和所述获取的停用延迟时间矫正所述启用开始时间和所述启用停止时间，以提供矫正的启用开始和停止时间，

对于下一次循环使用矫正的启用开始和停止时间供给启用电源。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还有以下步骤：

感测所述SMA阀的实际启用和停用以确定当所述阀到达打开状态时的打开时间和所述阀开始变换到关闭状态的关闭时间，

对于当前完成的循环将所述启用开始时间与所述启用停止时间分别与所述打开时间和所述关闭时间比较，且如果发现任何偏差，则对于所述当前循环中发现的偏差进一步矫正所述矫正的启用开始时间和所述矫正的启用停止时间用于下一次循环。