CN116710300A - 用于监测和控制车辆车厢中的空气质量的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监测和控制车辆车厢中的空气质量的系统和方法。具体地，本发明涉及测定存在于车辆车厢的空气中的至少两种不同的物质的传感器单元，其中，车辆的供暖、通风和空调系统(HVAC系统)的设定是使用所测定的物质中的至少一种来控制并优化的。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监测和控制车辆车厢中的空气质量的系统和方法。具体地，本发明涉及测定与车辆车厢的空气质量有关的至少两种物质浓度，并且其中，供暖、通风和空调系统(HVAC系统)的操作将至少部分地取决于所测定的物质浓度。
引证结合
同一申请人的专利申请第SE1950840号和第PCT/SE2020/050690号通过引证结合于此。
背景技术
用于分析人的呼吸中的致醉物质的存在和浓度的呼吸分析设备正变得越来越普遍，尤其是在车辆中，作为检测和防止在致醉物质的影响下驾驶的措施。主要关注的是酒精(乙醇/饮用酒精)检测，通常称为BrAC(呼吸酒精浓度)，但是也关注其他物质。安装在车辆中的呼吸分析设备通常给出驾驶员的呼吸中的一种或多种物质的含量的测量值，而该测量值进而高精度地与用户的血液中的浓度有关。呼吸分析设备可以是系统的一部分，该系统还包括用于确定驾驶员和/或固定车辆的设备，该系统即为所谓的“酒精锁”。这种呼吸分析设备通常永久地安装在车辆中，并且例如可以是仪表板的组成部分，并且连接到车辆的控制系统。到目前为止，这种系统主要存在于商用车辆(例如公共汽车、出租车和货车)中。然而，在不久的将来，这些系统似乎也将在私人车辆中普遍使用，并且在至少一些国家和区域中可能还是强制性的。
车载式呼吸测试设备的最常见的方法是使用吹嘴，用户在深呼吸之后应将他或她的气道排空到吹嘴。该方法被称为主动检测。为了确保正确的测定，用户应在几乎全肺活量的情况下进行强制呼气。这需要大量的时间和努力，尤其是对能力有限的人来说。此外，出于卫生原因，吹嘴或吹嘴的一部分通常是一次性塑料制品。这导致繁琐的处理，并且从环境角度来看，使用大量的一次性塑料制品(如果酒精锁变成强制性的话，就会是这种情况)是值得商榷的。
可替代的方法是所谓的被动检测，其中，致醉物质是通过在正常呼吸时在呼气期间采集的呼吸样品来测定的。通常不使用一次性吹嘴。然而，用户可能被指示朝向进气口等呼吸。被动检测的挑战是待检测和分析的物质浓度低。已知的方法是使用示踪气体(该示踪气体通常是二氧化碳或水蒸气并总是以高度可预测的量存在于呼吸中)来触发目标物质的分析并促进目标物质浓度值的测定。另一问题，尤其是在车辆中，是车辆车厢中的不受控制的环境，包括强制通风、空调(AC)系统的使用等。又一问题是，在不止存在驾驶员的情况下，要测定所检测到的致醉物质是来自驾驶员还是来自乘客。
WO2017164953公开了一种使用示踪气体检测以促进目标物质浓度值的测定的被动呼吸酒精浓度测量的方法和系统，并且介绍了一种在需要时从被动检测切换到主动检测的方法和系统。这也包括指示驾驶员采取某些行动。
US7736903公开了一种用于被动呼吸酒精浓度测量的方法和系统，并且讨论了HVAC的设定对执行准确的BrAC测量的能力的影响。
除了最近对阻碍醉酒驾驶员驾驶车辆的关注，人们也越来越关心车辆车厢中的空气质量以及空气质量如何影响驾驶员的能力。传统上，仅关注温度，并且自动空调系统已经存在很长时间，这或多或少将HVAC系统的设定有效地调节成预定的设定温度。最近，二氧化碳(CO2)的浓度也引起了人们的注意，因为二氧化碳水平在长时间内升高可能使驾驶员犯困，或者至少减缓反应。同时，由于HVAC系统耗能高并且对燃油经济性和/或车辆的操作范围产生不利影响，因此人们强烈要求不要使车辆车厢“过度通风”。
另一个备受关注的领域通常被称为“遗留儿童场景”(child left behindscenario)，其中，停车时误将儿童或动物留在车辆车厢中。全世界每年都有大量的死亡或受伤与这种场景有关。停放在阳光下的停放车辆中可能出现的快速升温通常表示最高的危险，但车厢中的二氧化碳水平的积聚也可能是危险的。此外，监测二氧化碳已被建议作为一种方式来检测遗留在车辆中的儿童或动物的存在并且例如自动发出警报和/或采取预防行动(诸如解锁车辆)。
US2020346518公开了一种用于检测遗留在汽车中的婴儿或小动物的方法和系统，并且该方法和系统还用于自动调节通风以将车辆车厢中的二氧化碳水平保持在合理限值内。关于致醉物质与驾驶结合的危险、车辆车厢的空气质量的重要性以及如何防止“遗留儿童”的预见已经得到改进，并且解决这些问题的系统和方法取得重要的成就。然而，现有的设备和系统在安装和维护方面通常是复杂且昂贵的，并且通常不能很好地与车辆中的其他系统形成整体。因此，人们不愿意投资并安装这些系统。
此外，为特定应用而设计的多个传感器装置的使用可能不能充分协作，并且不同的系统可能具有至少部分地彼此冲突的目标。需要很好地平衡的不同目标的一个实例是与HVAC系统的能耗相关的车内空气质量。HVAC系统的能耗直接影响内燃机的燃油消耗以及电动汽车的行驶里程。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服现有技术方法和系统的缺点的包括传感器单元和HVAC系统的空气质量监测和控制系统及其操作方法。具体地，在车辆的积极使用期间，燃油经济性或驾驶范围与驾驶员警惕性之间的平衡是非常重要的。然后，例如当车辆停放时，该系统应当能够检测到车辆中是否有人并且调节HVAC的参数。
这通过如权利要求1中限定的空气质量监测和控制系统以及如权利要求10中限定的方法来实现。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于监测和控制车辆车厢的空气质量并且用于测定与车辆的驾驶员/用户有关的致醉目标物质的车载式组合系统。该组合系统包括：
-传感器单元，布置成分析来自车厢的空气并且测定空气样品中的目标物质的浓度和二氧化碳的浓度，并且其中，传感器单元布置成使用二氧化碳作为示踪物质以测定目标物质的呼吸浓度；
-供暖、通风和空调系统，即HVAC系统，布置成至少具有：一种进气模式，将外部空气吸入到车辆车厢中；以及一种再循环模式，使车辆车厢中的空气循环，并且HVAC系统包括通过改变所述HVAC系统的各部分的设定来调节进气空气的流动和量的器件；
中央控制单元，布置成控制传感器单元和HVAC系统二者，并且其中，中央控制单元布置成将HVAC系统和传感器单元设定成至少两种不同的操作模式：
-预驾驶模式，包括使用二氧化碳作为示踪物质来测定空气样品中的目标物质的呼吸浓度；
-至少一个第二模式，其中，车辆车厢的空气质量是通过执行二氧化碳测定并且至少部分地基于二氧化碳测定来控制HVAC系统的设定而被监测并至少部分地被控制的；并且
其中，在预驾驶模式期间，传感器单元布置成使用二氧化碳作为示踪物质来测定空气样品中的目标物质的浓度，并且在第二模式期间，传感器单元布置成通过测定二氧化碳浓度来提供车辆车厢的空气质量的测量。
根据本发明的一个实施方式，第二模式是驾驶模式，并且仅当在预驾驶模式中测定的所测定的目标物质浓度低于预定水平时开启。
根据本发明的一个实施方式，提供了另一种模式，即停车模式，其中，车辆车厢的空气质量是通过利用同一传感器单元来执行二氧化碳测定并且至少部分地基于在停车模式期间执行的二氧化碳测定来控制HVAC系统的设定而被监测并至少部分地被控制的。
根据本发明的一个实施方式，驾驶模式包括：如果所测定的二氧化碳水平高于第一预定上水平，则中央控制单元控制HVAC系统以增加外部空气进气；以及如果二氧化碳水平低于第一预定下水平，则减少外部空气进气。驾驶模式还可以包括：如果HVAC系统不能保持二氧化碳水平低于第一预定上水平，则中央控制单元激活警报功能。
根据本发明的一个实施方式，停车模式包括：如果所测定的二氧化碳水平高于第二预定上水平，则中央控制单元控制HVAC系统以增加外部空气进气；以及如果二氧化碳水平低于第二预定下水平，则减少外部空气进气。停车模式还可以包括：中央控制单元布置成监测向HVAC系统供电的电池的状态，并且如果电池状态指示功率将不足以使HVAC系统保持在将一氧化碳水平保持在第二上限值以下所需的当前设定，则激活警报功能。
根据本发明的一个实施方式，停车模式包括：如果HVAC系统不能保持二氧化碳水平低于第二预定上水平，则中央控制单元激活警报功能。
根据本发明的一个实施方式，传感器单元包括温度传感器，并且车辆车厢中的空气的温度是使用传感器单元来测定的，并且HVAC系统的设定将取决于所测定的温度和所测定的二氧化碳水平二者。
根据本发明的一个方面，提供了一种操作车载式组合系统的方法，该系统用于监测和控制车辆车厢的空气质量并且用于测定与车辆的驾驶员/用户有关的致醉目标物质。由该方法使用的组合系统包括：
传感器单元，布置成分析来自车厢的空气并且测定空气样品中的目标物质的浓度和二氧化碳的浓度，并且其中，传感器单元布置成使用二氧化碳作为示踪物质以测定目标物质的呼吸浓度；
供暖、通风和空调系统，即HVAC系统，布置成至少具有：一种进气模式，将外部空气吸入到车辆车厢中；以及一种再循环模式，使车辆车厢中的空气循环，并且HVAC系统包括通过改变HVAC系统的各部分的设定来调节进气空气的流动和量的器件，以及
中央控制单元，布置成控制传感器单元和HVAC系统二者，并且其中，中央控制单元布置成将HVAC系统和传感器单元设定成至少两种不同的操作模式。
该方法包括以下操作模式：
-预驾驶模式，包括使用传感器单元使用二氧化碳作为示踪物质来测定空气样品中的目标物质的呼吸浓度；
-至少一个第二模式，其中，车辆车厢的空气质量是通过使用同一传感器单元来执行二氧化碳测定并且至少部分地基于二氧化碳测定来控制HVAC系统的设定而被监测并至少部分地被控制的。
根据本发明的一个实施方式，第二模式是驾驶模式，该驾驶模式仅当在预驾驶模式中测定的所测定的目标物质浓度低于预定水平时开启。
根据本发明的一个实施方式，还提供停车模式，其中，车辆车厢的空气质量是通过利用同一传感器单元来执行二氧化碳测定并且至少部分地基于在停车模式期间执行的二氧化碳测定来控制HVAC系统的设定而被监测并至少部分地被控制的。
根据本发明的一个实施方式，驾驶模式包括：如果所测定的二氧化碳水平高于第一预定上水平，则中央控制单元控制HVAC系统以增加外部空气进气；以及如果二氧化碳水平低于第一预定下水平，则减少外部空气进气。驾驶模式可以包括：如果HVAC系统不能保持二氧化碳水平低于第一预定上水平，则中央控制单元激活警报功能。
根据本发明的一个实施方式，停车模式包括：如果所测定的二氧化碳水平高于第二预定上水平，则中央控制单元控制HVAC系统以增加外部空气进气；以及如果二氧化碳水平低于第二预定下水平，则减少外部空气进气。停车模式可以包括：中央控制单元监测向HVAC系统供电的电池的状态，并且如果电池状态指示功率将不足以使HVAC系统保持在将一氧化碳水平保持在第二上限值以下所需的当前设定，则激活警报功能。在停车模式中，如果HVAC系统不能保持二氧化碳水平低于第二预定上水平，则中央控制单元可以激活警报功能。
根据本发明的一个实施方式，传感器单元提供车辆车厢中的空气的温度，并且HVAC系统的设定将取决于所测定的温度和所测定的二氧化碳水平二者。
本发明的一个优点是，可以使用同一传感器单元来测定与驾驶员有关的致醉物质的浓度并且监测和控制车辆车厢中的空气质量，不仅是行驶中的车辆，而且在停车时。这种改进的控制从安全、健康和经济的方面可能是有用的。
本发明的一个优点是，HVAC系统的操作可以与保持车辆车厢中的二氧化碳水平低于预定水平的需求相平衡，从而限制对车辆的运行里程范围的影响。
另一个优点是，空气质量监测和控制系统可以在表示车辆的不同使用的多种不同模式下操作，这些模式包括预驾驶模式、驾驶模式和停车模式。
在下文中，将参考附图，仅通过实例的方式，针对其非限制性实施方式来更详细地描述本发明。
附图说明
图1是根据本发明的空气质量监测和控制系统的示意图，该系统处于不同的操作模式：a)打开模式；以及b)关闭模式；
图2a是根据本发明的方法及其主要步骤的流程图，并且图2b-图2d示意性地描述了主要步骤的典型时序图；
图3a-图3b是根据本发明的传感器单元的示意图，该传感器单元使用a)直线的；以及b)重合的IR光束模式，用于CO2和EtOH感测；
图4a-图4c是根据本发明的传感器单元的不同实施方式的示意图；并且
图5a-图5b是示出了传感器单元的关于a)CO2测量；以及b)酒精测量的信号特征的图表。
具体实施方式
诸如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“下方”、“上方”等的术语仅参考附图中示出的本发明的实施方式的几何形状和/或在所描述的装置和系统的正常操作期间使用，并且不旨在以任何方式限制本发明。
术语“目标物质的呼吸浓度”用于描述对呼吸样品中的物质进行浓度测量，并且通过计算(通常涉及诸如二氧化碳或水等示踪物质)可以测定受试者的呼吸浓度。呼吸浓度通常适于与法定浓度限值进行比较和/或与目标物质的血液浓度进行比较。使用例如酒精的呼吸浓度是公知的，即所谓的BrAC值，这将在下面进一步讨论。
在下面的实例描述中，致醉物质将以乙醇(EtOH)为例。然而，如本领域技术人员所理解的，本发明不限于EtOH，并且所描述的系统和方法可以容易地适于其他致醉物质。
在描述中，HVAC系统、传感器单元、控制单元的供电部以电池为例。电池应解释为能够储存并供应电力的任何手段，包括但不限于化学电池、超级电容器和燃油电池系统。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于监测和控制车辆车厢的空气质量并且用于测定与车辆的驾驶员/用户有关的致醉目标物质的车载式组合系统。该组合系统(在图1中示意性地示出)包括：
-传感器单元2，布置成分析来自车厢的空气并且测定空气样品中的目标物质的浓度和二氧化碳的浓度，并且其中，传感器单元布置成使用二氧化碳作为示踪物质以测定目标物质的浓度；
-供暖、通风和空调系统7，即HVAC系统，布置成至少具有：一种进气模式，将外部空气吸入到车辆车厢中；以及一种再循环模式，使车辆车厢中的空气循环，并且HVAC系统包括通过改变HVAC系统的各部分的设定来调节进气空气的流动和量的器件。HVAC系统通常包括HVAC控制单元4。
-中央控制单元(CCU)3，布置成连接到并控制传感器单元2和HVAC系统7二者。中央控制单元布置成将HVAC系统7和传感器单元2设定成至少两种不同的操作模式，如图2a中所示：
1)预驾驶模式，其中，传感器单元使用通常存在于人类呼出的空气中的二氧化碳作为示踪物质来执行空气样品中的目标物质的浓度的测定；以及
2)至少一个第二模式，其中，车辆车厢的空气质量是通过执行二氧化碳测定并且至少部分地基于二氧化碳测定来控制HVAC系统的设定而被监测并至少部分地被控制的。在至少预驾驶模式和第二模式中使用同一传感器设备，即传感器单元2。
根据本发明的一个实施方式，第二模式是驾驶模式，并且仅当在预驾驶模式中测定的所测定的目标物质浓度低于预定水平时开启。
根据本发明的一个实施方式，提供了另一种模式，即停车模式，其中，车辆车厢的空气质量是通过利用同一传感器单元来执行二氧化碳测定并且至少部分地基于在停车模式期间执行的二氧化碳测定来控制HVAC系统的设定而被监测并至少部分地被控制的。停车模式与前两种模式的不同之处在于没有驾驶员，重点是可能存在被意外留下的儿童或宠物。检测是通过监测车厢CO2浓度而实现的，并且由于热而出现的危及生命情况的风险是通过监测车厢温度而实现的。HVAC系统可以在其能力范围内缓解危险的发展。在这一点上，可以产生警报信号以引起其他人的注意。
根据本发明的一个方面，提供了一种操作根据上述的组合系统的方法。
根据本发明的一个实施方式的系统和方法设计成在三种不同的模式(即预驾驶模式、驾驶模式和停车模式)下操作。这三种模式具有不同的目标和需求，但是使用同一测量设备(即传感器单元2)以及相同的基本测量原理。这使得与现有技术系统相比，可以用最少的附加硬件来实现不同的模式。
预驾驶模式的主要目标是在驾驶员进入驾驶员座椅后立即检查驾驶员的清醒度。该任务是通过位于该位置附近并且能够定量分析乙醇(EtOH)的浓度与二氧化碳(CO2)的呼出浓度的关系的传感器单元来执行的。能够准确地测量并监测EtOH和CO2的传感器单元对于这种操作模式来说是关键的。
在驾驶模式中，仍然可以通过被动监测或通过请求直接朝向传感器单元呼吸来检查驾驶员呼吸酒精浓度。此外，该系统还有另外两个目标，其中，传感器单元的操作是至关重要的。一个目标与人类大脑的认知功能有关，而认知功能可能因空气质量差而恶化。在CO2浓度已经从400ppm的正常背景适度增加并略高于1000ppm时，人类认知任务的表现存在恶化的迹象，并且这种恶化在更高的浓度下迅速增加。还存在随温度的共同变化。因此，重要的是控制车辆内的通风以保持足够的空气质量。这一目标可以通过利用车厢CO2浓度和温度来控制车辆的HVAC系统而实现。另一方面，HVAC系统是高功耗的。因此，以最大容量操作将限制车辆的运行范围。为了节省能源，需要在驾驶模式期间平衡这些相反的要求。获取车厢温度和CO2记录与外部温度和CO2记录之间的差异对于管理这些相反的要求可能是重要的。然而，根据本发明，来自一个特定传感器单元的信号在驾驶回话之前、期间和之后的多种常见情况下被使用。在需要的情况下，可以采用其他信息源。
当驾驶员离开车辆时，在儿童或宠物被留在车辆中的情况下，停车操作模式将非常重要。通过监测温度和CO2，二者都可以用于激活HVAC系统并且对空气质量和车厢温度适当控制以保持在安全且舒适的范围内。
图1是根据本发明的空气质量监测和控制系统11的示意图。该系统包括车辆车厢1，该车辆车厢通常包括驾驶员和可能的乘客的座椅。
车厢内的空气质量主要是由二氧化碳(CO2)的浓度以及温度来决定的，这两者应保持在基于车辆乘员的安全标准和舒适标准的预定间隔内。传感器单元2被包括以在车厢1内的一个或多个代表性位置处测量这些实体。传感器单元2还适于测量致醉物质(例如乙醇(EtOH))的浓度。根据本发明，同一传感器单元2用于所有的操作模式，并且适于输出致醉物质的浓度、CO2的浓度、和温度。这对传感器单元在可检测的浓度范围、检测速度以及在不同条件下产生可再现的且可靠的结果的能力方面提出了很高的要求。以下将进一步讨论这些要求。基于红外技术的传感器适用于根据本发明的系统和方法。抽吸传感器可以从例如瑞典的Senseair AB(森谢尔公司)商购。
传感器单元2优选地位于车厢1内的驾驶员位置9附近，由此该传感器单元对增加的CO2和/或EtOH浓度的响应将主要由驾驶员而不是位置较远的乘客的呼吸活动来决定。测量的实际位置可以通过一个或多个管道来选择，车厢1内的特定点处的空气可以通过该一个或多个管道连接到传感器单元2。连续的空气采样通过泵或风扇而被吸入通过传感器单元2。因此，对CO2、EtOH和温度的连续监测将表示非常靠近驾驶员的对应的局部空气特性随时间的变化。
控制和通信单元(CCU)3适于与传感器单元2交换控制和传感器信号。CCU通常是多用途数字处理器，该多用途数字处理器包括用于实现逻辑的算术和逻辑单元、高复杂度的顺序算法、用于临时和永久存储数字数据的存储装置、以及使控制信号能够被多个外围单元读取的接口电路。收发器10可以连接到控制和通信单元3，以用于在系统与一些外部单元之间交换数据或消息，优选地通过无线双向通信的方式。
用于温度和空气质量控制的HVAC系统7是为了功能清晰而示意性地绘制的，而不是按物理比例绘制的。控制和通信单元3向HVAC控制单元4提供命令信号，该HVAC控制单元进而控制风扇5、加热和冷却单元6、多个阀7a-7d，以控制进出车厢1的空气流动，并且还用于调节再循环空气和与外部环境交换的空气之间的比率。在车辆车厢1与外部环境之间可以设置单独的开口8。如本领域技术人员所理解的，HVAC系统可以以多种方式设计并实现，但是基本零件和功能将是相似的。
当阀7b、7d完全打开而7a、7c关闭时，风扇5通常可以具有在一分钟内用从外部环境获取的空气完全替换整个车厢的能力。当强制要求完全再循环时，使用相反的设定，即7a/7c打开且7b/7d关闭。优选地，所有的阀7a-7d都可以按比例控制，从而能够控制流过与再循环的比例。
车厢空气的温度由加热和冷却单元6来控制，例如使用循环流体的热泵，由此其相变决定加热或冷却效果。
优选地，传感器单元2、控制和通信单元3、和HVAC控制单元4是适于安装在任何车辆中以用于车厢空气质量控制的物理上独立的设置。
如上所述，可以确定HVAC的至少两种不同的设定，即：进气模式，其中，阀7a、7c、7b、7d和风扇5布置成将外部空气引导至车厢中；以及再循环模式，其中，阀7a，7c，7b，7d和5布置成使车辆车厢中的空气在没有或具有至少非常有限的外部空气的进气的情况下循环。如本领域技术人员所理解的，现代HVAC系统可以提供多种其他不同的模式，以向挡风玻璃、驾驶员的脚等提供气流。然而，出于本申请的目的，区分再循环模式和进气模式就足够了。
图2示意性地示出了根据本发明的方法，该方法包括三种主要的操作模式，每种操作模式具有单独的监测和控制目的。图2a中示出了主要步骤或功能模式及其与系统配置的关系，而图2b-图2d中示出了三个主要步骤中的每个步骤的更详细的时序图。该方法优选地利用参考图1所描述的系统并且利用参考图3a-图3b和图4a-图4d描述的传感器布置来执行。
当驾驶员开锁并进入车辆的驾驶员位置时，进入图2a中所示的第一预驾驶模式21。传感器单元被激活，并且记录温度、CO2和EtOH浓度，目的是检查驾驶员的清醒度。CO2是呼气过多的指示，并且如果伴随着相关EtOH峰值高于预定值，则生成警报信号以指示驾驶员可能喝醉。如果EtOH的浓度低于预定值，则驾驶员可以被视为是清醒的并允许启动车辆。
预驾驶模式包括以下步骤：
21:1传感器单元2利用示踪物质(优选地为CO2)来测定与驾驶员有关的致醉物质的浓度，其中，该测定要求CO2浓度高于预定水平L1。必须超过该水平，才能根据以下方程来测定呼吸酒精浓度(BrAC)
BrAC＝EtOH * (CO2et/CO2meas) (1)
其中，CO2meas是由传感器测量的CO2浓度，并且CO2et是CO2的呼气末呼吸浓度，在正常成年人中通常为4％或40000ppm。比率(CO2et/CO2meas)可以被称为呼吸样品的稀释因子DF。如果该因子高于预定值，则BrAC测定的准确性将不足。
21:2如果所测定的呼吸浓度BrAC高于预定值L2，则CCU可以通过影响由化石燃料驱动的车辆的油门、齿轮箱或其他部件以及电动车辆的电子驾驶控制单元的功能来开启车辆的固定或限制驾驶性能；
21:3如果所测定的EtOH的浓度低于预定值L2，则该系统将进入驾驶模式。
当且仅当车辆正在被驾驶时，才进入驾驶模式22。与预驾驶模式相比，驾驶模式具有不同的目标。意图是将CO2浓度和温度保持在预定水平或低于预定水平(或者在范围内)。该预定水平考虑到舒适、安全和经济方面。已知的是，在高CO2浓度和高温度下，人类大脑的认知功能会恶化。另一方面，以全速且在远离周围环境的车厢温度下操作的HVAC系统的功耗是高功耗的。因此，这些影响应通过小心地控制空气流动来平衡。车辆的总功耗Ptot可以由以下等式来描述：
Ptot ＝ Pdrive + PHVAC (2)
其中，Pdrive是车辆发动机的功耗，并且PHVAC是保持车辆内部的健康且舒适的条件所需的功耗。在极端的外部条件下，PHVAC将成为Ptot的重要组成部分，并且可能需要在舒适度方面做出妥协。
驾驶模式包括以下步骤：
22:1传感器单元2至少通过测定CO2浓度来连续地或半连续地监测车辆车厢中的空气的空气质量。如果CO2浓度高于预定值UL1，则CCU 3将与HVAC控制单元4通信以增加通风量，即增加外部空气的进气。如果CO2浓度低于预定值LL1，则CCU 3将与HVAC控制单元4通信以减少通风量或改为再循环。这是为了平衡HVAC系统的操作，以提供足够好的空气质量，而不增加其不必要的高能耗。以同样的方式，车厢空气的温度可以由传感器单元2或其他传感器测定并由HVAC系统控制，使得温度保持在温度范围LL2<T<UL2内，通常可由驾驶员控制。此外，控制算法优选地包括与CO2的时间导数和温度传感器信号对应的项，使得急剧增加的CO2和温度水平得到缓解。根据一个实施方式，该方法利用用于CO2浓度和/或温度ULH2的至少一个更上的水平ULH1，该更上的水平用于在极端条件下使用并且表示引起一些不舒适，然而就驾驶员执行驾驶操作的能力方面而言仍然处于安全区域内的温度/CO2浓度。通常，驾驶员不可能超越这一安全级别，即使保持这些级别意味着驾驶范围将受到影响。
驾驶模式还可以包括通过执行如步骤21:1中所述的相同的测定来检查驾驶员的清醒度的传感器单元2。清醒度检查优选地在系统处于驾驶模式时以规则的间隔来执行。
22:2根据一个实施方式，如果HVAC系统不能将CO2保持在预定上限值UL1以下，则CCU发起警报动作，例如发出警报信号。警报信号可以伴随有诸如“打开窗户”或“休息一下，给车辆通风”等指令。此外，可以设想自动动作，诸如自动打开靠近驾驶员的窗户。
22:3如果CCU 3检测到驾驶会话已经结束，则该系统可以进入停车模式。该信息从车辆的其他部分提供给CCU 3，并且可以包括但不限于点火开关被关闭、驾驶员已经离开驾驶员座椅、车辆从外部/远程地锁定等。
当车辆已经到达最终或临时目的地并且CCU接收到车辆已停车的信息时，进入停车模式。然后，监测温度和CO2浓度，目的是检测任何儿童或宠物被遗留并锁在车辆内，以及温度是否上升到危险水平。只要存在可用功率，HVAC系统就可以投入操作。如果不存在可用功率，则控制和通信单元将激活并传输警报信号，以便采取适当的动作。该动作也可以被自动激活。
停车模式包括以下步骤：
23:1传感器单元2至少通过测定CO2浓度连续地或半连续地监测车辆车厢中的空气的空气质量。如果CO2浓度高于预定值UL3，则CCU 3将与HVAC控制单元4通信以增加通风量，即增加外部空气的进气。如果CO2浓度低于预定值LL3，则CCU 3将与HVAC控制单元4通信以减少通风量或改为再循环。这是为了平衡HVAC系统的操作以提供足够好的空气质量，而不增加不必要的高能耗。这在停车模式下尤其重要，因为HVAC系统通常使用电池运行并且其可以操作的时间有限。以同样的方式，车厢空气的温度可以由传感器单元2或其他传感器测定并由HVAC系统控制，使得温度保持在温度范围LL2<T<UL2内，通常可以由驾驶员控制。
23:2如果HVAC系统不能将CO2保持在预定上限值UL3以下，则CCU 3发起警报功能，例如发出警报信号。警报信号可以是外部信号以引起车辆外部人员的注意或者链接到例如驾驶员/所有者的移动电话或链接到警报和紧急呼叫中心。这种警报消息可以直接发送给一个人(例如驾驶员)、选定组和/或以例如驾驶员开始并以紧急呼叫中心结束的链中。警报信号可以伴随有其他动作，诸如自动打开窗户或解锁车门。优选地，CCU 3还监测或被告知车辆的电池状态，特别是可用于使HVAC系统在所需水平下操作的功率，并且警报功能可能由于可用功率变得过低而被激活。警报功能应在电池功率完全耗尽之前开启，以便执行与警报功能相关联的动作。
可替代地，或者与监测CO2浓度并将CO2浓度保持在预定上限值UL3以下进行组合，CO2浓度的增加可以被视为有儿童或宠物被遗留在车辆中的指示。如果CO2浓度的变化率高于预定值，则指示或警报可以在浓度不高于预定上限值UL3的情况下发出。
23:3可以提供可选步骤，其中，该系统被置于待机模式。只有当存在明确指示表明车辆车厢中没有人类或动物时，才应激活待机模式。明确指示至少是CO2水平在预定时间段期间未增加。在待机模式期间，CO2水平的测定频率小于先前的步骤，并且HVAC系统可以不被激活或者仅在需要执行CO2水平的测定时被激活。
当驾驶员在停车之后重新进入车辆时，通常重新启动预驾驶模式–驾驶模式–停车模式的顺序。
上面讨论的CO2和温度的上水平和下水平在不同的操作模式中通常是不同的。这些水平可以由驾驶员/用户调节，但是通常仅在一定限值内，以免驾驶员/用户因错误或疏忽而设定存在潜在危险的水平。
图2b-图2d分别是预驾驶模式、驾驶模式和停车模式的时序图实例。图2b中的预驾驶模式通常在启动车辆之前的几秒钟内通过非接触地测量驾驶员呼出的呼吸的CO2浓度和EtOH浓度并且通过使用来自传感器单元2的信号，根据方程(1)从这些信号测定BrAC来执行。通常，CO2信号表现出与呼出的呼吸重合的峰值。根据环境条件，背景CO2水平通常为400…800ppm(百万分之体积)。CO2峰值的幅度将为1000…10000ppm，这取决于先前描述的稀释因子DH。驾驶员的呼吸中的酒精的普遍存在将从0…0.5ppm的背景水平产生重合的EtOH峰值。峰值幅度0…12.5ppm可以根据驾驶员的BrAC水平和稀释因子而变化。车辆的驾驶性能将由驾驶员BrAC水平来控制，该驾驶员BrAC水平是由方程(1)根据法定浓度限值来测定的。如果超过法定限值，则驾驶性能将被限制或者甚至可能被完全禁用。在车辆的发动机和HVAC系统启动之前，由传感器测量的车厢温度将对应于周围环境温度，该周围环境温可能从非常冷到非常热不等，例如-40…+85℃的区间，这是汽车行业所使用的可接受的区间。
图2c中示出了驾驶模式的典型时序图。与休息前的驾驶会话对应的10…120分钟的时间延长比预驾驶模式大得多。在这一模式中，车辆车厢内的条件预计将由HVAC系统控制，以保持安全且舒适的CO2浓度水平、EtOH浓度水平和温度水平，它们分别对应于400…800ppm，0…0.5ppm以及18…25℃。如图2c中所示，稳步增加的值偏离这些水平并最终达到2000ppm、12.5ppm和30℃可以用于提醒驾驶员或乘客：可能接近或超过安全限值。采取动作的责任主要在驾驶员一方。为了安全起见，建议将车辆停在最近的方便位置以进行休息。
如图2d中所示，停车模式类似于驾驶模式，但也存在重要区别。在停车模式中，如果预计驾驶员不会立即出现，则根据本发明的系统和方法的主要功能是：当被遗留在停放且锁定的车辆内部的儿童或宠物可能发生危及生命的情况时，发出警报。如已经参考图2a所描述的，当(i)CO2浓度从400…800ppm的背景水平稳步增加，表明有人正在封闭的车辆车厢的内部呼吸；以及(ii)由于高环境温度或高入射太阳辐射，车厢温度随之升高超过50℃，达到危及生命的水平时，将发出听觉警报和视觉警报。在中等水平下，只要有足够的冷却功率，车辆HVAC系统就可以被激活。在可用功率与最可行的缓解和警报动作之间存在权衡。可用于系统管理的决策树应包括多个选项，其中包括可用功率、位置、对车辆所有者/驾驶员或其他可能提供帮助的人员的联系。
根据本发明的传感器单元2设计成至少测量第一目标物质和示踪物质，其中，示踪物质本身也是空气质量的测量。图3示出了传感器单元2在光学设计方面的两个实施方式。这两个实施方式都利用了红外(IR)光谱，以及通过光路后从源到检测器的IR传输的测量。详细配置是根据对信号分辨率的具体要求而设计的，信号分辨率进而是基于CO2和EtOH体系中的浓度范围的。
在图3a)中，发射器31a将其IR光束引向位于传感器单元壳体的相对侧的检测器32a。发射器通常是白炽灯，该白炽灯产生与通过使电流通过钨丝而加热的理想黑体类似的IR辐射。检测器32a通常是光伏电池，该光伏电池包括以4.23μm处的CO2吸收峰值为中心的干涉带通滤波器。发射器31a通常以5Hz的重复频率进行调制。
用于EtOH检测的对应布置包括MEMS(微机电系统)发射器33a，MEMS发射器包括以与CO2发射器31a相比更长的波长发射IR辐射的非常薄的膜。两个发射器31a和33a都以5Hz的重复频率同步操作。EtOH检测器34a通常是热电装置，包括设计成用于9.5μm的EtOH吸收峰值的干涉带通滤波器。
用于EtOH检测的光路的长度通常是50cm-100cm，而对应的CO2路径的长度为2cm-4cm。通过使用两个反射镜和由凹面镜37a和38a形成的专用反射模式，EtOH路径可以被结合在小壳体中。
在图3a)中，CO2和EtOH的光路方向是直线的，而它们在图3b)中是重合的。通过传感器壳体的气体入口流动和气体出口流动35a、36a在图3a)中重合，而对应的流动模式35b、36b与图3b)中的光路成直线。
图4a-图4c详细示出了传感器单元壳体关于流动模式的三个实施方式。在全部三个实施方式中，存在入口加热器41a-c，主要目的是在输入空气高度潮湿的情况下防止冷凝。通过传感器壳体的主要空气流动由流线42a-c描绘，并且流动由位于流动的后端处的小型径向风扇43a-c驱动。4a)和4b)实施方式中的流动对应于图3a)中所示的光学设计，而4c)流动模式与主要光路成直线，对应于图3b)的光学设计。
传感器单元2优选地设置有至少一个温度传感器。因此，CO2和EtOH以及温度可以同时并且在同一气流中测定。优选地，传感器单元2位于车辆车厢中使得入口气流的温度代表车厢温度。由于实际原因，可以使用一根管道以连接空气采样点与入口加热器41a-c(图4a-图4c中未示出)。与利用多个不同的传感器的系统相比，这代表了重要的优点，即提供HVAC系统的有效控制所需的准确且可靠的测定，并从而控制车辆车厢中的环境。
传感器单元3还可以包括其他类型的传感器，诸如用于湿度、压力或其他支持数据源的传感器。
图5a-图5b是示出了a)CO2和b)EtOH二者的IR检测通道的传感器信号特征的图表。CO2浓度的范围在按体积计0与5％之间，大致受到呼出的呼吸的典型浓度的限制。CO2检测器的亚线性特征是有利的，因为其允许在与大致400ppm的典型大气浓度水平对应的低浓度和具有低DF水平的过量呼吸中的大致10000ppm的最高预计浓度之间的高动态范围。EtOH曲线在正常浓度范围内为大致线性的。200ppm对应于0.08％BAC(血液酒精浓度)的美国法定限值。
在这两种情况下，信号特征都是在很宽的操作温度范围内描绘的，其中，由DT在相应的图表中指定的较低曲线和较高曲线对应于极端温度，该极端温度通常在-40…+85摄氏度的汽车操作范围内。
CO2通道和EtOH通道二者中的详细信号特征因传感器单元个体的不同而不同。这部分是由于部件(例如正在使用的发射器和检测器)级别上的公差，并且部分是由于传感器单元的组件中的公差。因此，每个传感器单元个体都需要针对精确控制的空气混合物进行校准，该空气混合物包括在操作范围内的多个浓度和温度下的两种目标物质中的每一种。为了获得对传感器特性的完全控制，有必要将整个传感器功能包含在单个外壳内。
如上所述的实施方式应理解为本发明的系统和方法的说明性实例。本领域技术人员应理解，可以对实施方式进行多种修改、组合和变化。具体地，在技术上可能的情况下，不同实施方式中的不同的局部解决方案可以组合在其他配置中。
Claims (18)
1.一种车载式组合系统(11)，用于监测和控制车辆车厢(1)的空气质量并且用于测定与车辆的驾驶员/用户有关的致醉目标物质，所述系统包括：
-传感器单元(2)，布置成分析来自所述车辆车厢(1)的空气并且测定空气样品中的目标物质的浓度和二氧化碳的浓度，并且其中，所述传感器单元布置成使用二氧化碳作为示踪物质以测定目标物质的呼吸浓度；
-供暖、通风和空调系统，HVAC系统(7)，布置成至少具有：一种进气模式，将外部空气吸入到所述车辆车厢(1)中；以及一种再循环模式，使所述车辆车厢(1)中的空气循环，并且所述HVAC系统(7)包括通过改变所述HVAC系统的各部分的设定来调节进气空气的流动和量的器件，所述组合系统的特征在于：
中央控制单元(3)，布置成控制所述传感器单元(2)和所述HVAC系统(7)二者，并且其中，所述中央控制单元布置成将所述HVAC系统(7)和所述传感器单元(2)设定成至少两种不同的操作模式：
-预驾驶模式，包括使用二氧化碳作为示踪物质来测定空气样品中的目标物质的所述呼吸浓度；
-至少一个第二模式，其中，所述车辆车厢的所述空气质量是通过执行二氧化碳测定并且至少部分地基于所述二氧化碳测定来控制所述HVAC系统(7)的设定而被监测并至少部分地被控制的；并且
其中，在所述预驾驶模式期间，所述传感器单元(2)布置成使用二氧化碳作为示踪物质来测定空气样品中的目标物质的浓度，并且在所述第二模式期间，所述传感器单元布置成通过测定所述二氧化碳浓度来提供对所述车辆车厢(1)的空气质量的测量。
2.根据权利要求1所述的组合系统，其中，所述第二模式是驾驶模式，所述驾驶模式仅当在所述预驾驶模式中测定的所测定的目标物质呼吸浓度低于预定水平时开启。
3.根据权利要求2所述的组合系统，还包括停车模式，其中，所述车辆车厢(1)的所述空气质量是通过利用同一传感器单元(2)来执行二氧化碳测定并且至少部分地基于在所述停车模式期间执行的所述二氧化碳测定来控制所述HVAC系统(7)的设定而被监测并至少部分地被控制的。
4.根据权利要求2或3所述的组合系统，其中，所述驾驶模式包括：如果所测定的二氧化碳水平高于第一预定上水平，则所述中央控制单元(3)控制所述HVAC系统(7)以增加外部空气进气；以及如果所述二氧化碳水平低于第一预定下水平，则减少所述外部空气进气。
5.根据权利要求4所述的组合系统，其中，所述驾驶模式包括：如果所述HVAC系统(7)不能保持所述二氧化碳水平低于所述第一预定上水平，则所述中央控制单元(3)激活警报功能。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的组合系统，其中，所述停车模式包括：如果所测定的二氧化碳水平高于第二预定上水平，则所述中央控制单元(3)控制所述HVAC系统(7)以增加所述外部空气进气；以及如果二氧化碳水平低于第二预定下水平，则减少所述外部空气进气。
7.根据权利要求6所述的组合系统，其中，所述停车模式包括：所述中央控制单元(3)布置成监测向所述HVAC系统(7)供电的电池的状态，并且如果电池状态指示功率将不足以使所述HVAC系统(7)保持在将所述一氧化碳水平保持在第二上限值以下所需的当前设定，则激活警报功能。
8.根据权利要求6所述的组合系统，还包括：所述停车模式，所述停车模式包括：如果所述HVAC系统(7)不能保持所述二氧化碳水平低于所述第二预定上水平，则所述中央控制单元(3)激活警报功能。
9.根据前述权利要求中任一项所述的组合系统，其中，所述传感器单元(2)包括温度传感器，并且所述车辆车厢中的空气的温度是使用所述传感器单元来测定的，并且所述HVAC系统(7)的设定将取决于所测定的温度和所测定的二氧化碳水平二者。
10.一种操作车载式组合系统(11)的方法，所述系统用于监测和控制车辆车厢(1)的空气质量并且用于测定与车辆的驾驶员/用户有关的致醉目标物质，其中，所述系统包括：
传感器单元(2)，布置成分析来自所述车辆车厢(1)的空气并且测定空气样品中的目标物质的浓度和二氧化碳的浓度，并且其中，所述传感器单元布置成使用二氧化碳作为示踪物质以测定目标物质的呼吸浓度；
供暖、通风和空调系统(7)，HVAC系统，布置成至少具有：一种进气模式，将外部空气吸入到所述车辆车厢(1)中；以及一种再循环模式，使所述车辆车厢(1)中的空气循环，并且所述HVAC系统包括通过改变所述HVAC系统的各部分的设定来调节进气空气的流动和量的器件，以及
中央控制单元(3)，布置成控制所述传感器单元(2)和所述HVAC系统(7)二者，并且其中，所述中央控制单元(3)布置成将所述HVAC系统(7)和所述传感器单元(2)设定成至少两种不同的操作模式，
所述方法包括以下操作模式：
-预驾驶模式(21)，包括使用所述传感器单元(2)使用二氧化碳作为示踪物质来测定空气样品中的目标物质的呼吸浓度；
-至少一个第二模式(22；23)，其中，所述车辆车厢的所述空气质量是通过使用同一传感器单元(2)来执行二氧化碳测定并且至少部分地基于所述二氧化碳测定来控制所述HVAC系统(7)的设定而被监测并至少部分地被控制的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二模式是驾驶模式，所述驾驶模式仅当在所述预驾驶模式中测定的所测定的目标物质呼吸浓度低于预定水平时开启。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括停车模式，其中，所述车辆车厢(1)的所述空气质量是通过利用同一传感器单元(2)来执行二氧化碳测定并且至少部分地基于在所述停车模式期间执行的所述二氧化碳测定来控制所述HVAC系统(7)的设定而被监测并至少部分地被控制的。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述驾驶模式包括：如果所测定的二氧化碳水平高于第一预定上水平，则所述中央控制单元(3)控制所述HVAC系统(7)以增加外部空气进气；以及如果所述二氧化碳水平低于第一预定下水平，则减少所述外部空气进气。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述驾驶模式包括：如果所述HVAC系统(7)不能保持所述二氧化碳水平低于所述第一预定上水平，则所述中央控制单元(3)激活警报功能。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述停车模式包括：如果所测定的二氧化碳水平高于第二预定上水平，则所述中央控制单元(3)控制所述HVAC系统(7)以增加所述外部空气进气；以及如果所述二氧化碳水平低于第二预定下水平，则减少所述外部空气进气。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述停车模式包括：所述中央控制单元(3)监测向所述HVAC系统(7)供电的电池的状态，并且如果电池状态指示功率将不足以使所述HVAC系统(7)保持在将所述一氧化碳水平保持在第二上限值以下所需的当前设定，则激活警报功能。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：所述停车模式，所述停车模式包括：如果所述HVAC系统(7)不能保持二氧化碳水平低于所述第二预定上水平，则所述中央控制单元(3)激活警报功能。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中，所述传感器单元(2)提供所述车辆车厢中的空气的温度，并且所述HVAC系统(7)的设定将取决于所测定的温度和所测定的二氧化碳水平二者。
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