DE102009007414A1 - Verfahren zur Temperatursteuerung in einem Fahrzeug - Google Patents

Verfahren zur Temperatursteuerung in einem Fahrzeug

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DE102009007414A1
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Robert Herbolzheimer
Markus Nagengast
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60HARRANGEMENTS OR ADAPTATIONS OF HEATING, COOLING, VENTILATING, OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00642Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00735Control systems or circuits characterised by their input, i.e. by the detection, measurement or calculation of particular conditions, e.g. signal treatment, dynamic models
    • B60H1/00742Control systems or circuits characterised by their input, i.e. by the detection, measurement or calculation of particular conditions, e.g. signal treatment, dynamic models by detection of the vehicle occupants' presence; by detection of conditions relating to the body of occupants, e.g. using radiant heat detectors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60H1/00642Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
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    • B60H2001/00733Computational models modifying user-set values

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Innenraumtemperatur eines Fahrzeugs auf ein vom Sollwert der Innenraumtemperatur abhängiges Signal durch Ermitteln zumindest einer Stellgröße für die Ansteuerung zumindest eines die Klimatisierung des Innenraums beeinflussenden Aktuators. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eine Stellgröße in Abhängigkeit von dem vom Sollwert der Innenraumtemperatur abhängigen Signal und einer ermittelten tatsächlichen Wärmeabgabemenge des Insassen im Fahrzeuginnenraum ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Innenraumtemperatur eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In den meisten Fahrzeugen wird derzeit zur Regelung der Innenraumtemperatur als Hauptregler ein P-Regler verwendet, wobei als Rückführungsgröße lediglich die mittels eines Sensors gemessene Innenraumtemperatur herangezogen wird. Vorhandene Hilfsregler sind dabei dem Hauptregler untergeordnet. Ausgangssignal des Reglers ist eine Stellgröße, aufgrund dessen sämtliche für die Klimatisierung relevanten Zustände (z. B. sämtliche Ausblastemperaturen, Gebläseleistung, Klappenstellung, usw.) vorgegeben bzw. berechnet werden. Die Stellgröße kann zusätzlich in Abhängigkeit eines vorliegenden Tag/Nacht-Signals, der Außentemperatur und der Solarstrahlung vorab korrigiert werden.
  • Aus der DE 26 21 663 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Innenraumtemperatur auf einen willkürlich beeinflussbaren Sollwert bekannt, wobei das Regelorgan in Abhängigkeit vom Vergleich zwischen einem vom Sollwert der Innenraumtemperatur abhängigen Signal und einem Istwert der von der Heizung abgegebenen Wärmemenge arbeitet.
  • Durch diese bekannten Verfahren können unter Umständen vor allem nach einem passiven Aufheizen des Fahrgastraums durch die Sonne Probleme auftauchen. Wird das Fahrzeug bspw. über einen längeren Zeitraum in der Sonne abgestellt, heizen sich im Innenraum die Umschließungsflächen je nach Standzeit unterschiedlich stark auf. Dies wird bei einer herkömmlichen Temperaturregelung, die sich nur auf den Sensorwert des Innenraumsensors stützt, nicht berücksichtigt werden. Sobald die vom Sensor gemessene Temperatur den Sollwert erreicht, beginnt der Temperaturregler abzuregeln. Zu diesem Zeitpunkt können die Umschließungsflächen jedoch noch sehr warm sein und somit das Klimaempfinden des Insassen beeinflussen, d. h. der Insasse empfindet es noch als zu warm.
  • Analog dazu ist bei kalten Außentemperaturen die Aufheizungsleistung vor allem dann zu gering, wenn die Oberflächentemperaturen der Umschließungsflächen sehr gering sind. In diesem Fall misst zwar der Innenfühler bald die gewünschte Temperatur, der Insasse friert jedoch noch aufgrund der kalten Umschließungsflächen. Bei Außentemperaturen von unter Null Grad und Sonneneinstrahlung kann auch der Zustand eintreten, dass zu stark geheizt wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Temperaturregelung für ein Fahrzeug anzugeben, bei der insbesondere bei instationären Zuständen die Umschließungsflächen-Temperaturen berücksichtigt werden und somit Rücksicht auf thermophysiologische Gegebenheiten genommen werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Grundgedanke der Erfindung ist eine Temperaturregelung mit einem thermophysikalischem Ansatz unter Berücksichtigung der Temperatur der Umschließungsflächen im Fahrzeug. Dabei wird die bisherige Regelungsstrategie durch ein physikalisches Modell ersetzt, wobei der Insasse im Mittelpunkt steht. Da die Berücksichtigung des Energieaustausches zwischen Insasse, der ihn umgebenden bzw. umströmenden Luft und den Umschließungsflächen bei der Temperaturregelung für das Wohlbefinden von wesentlicher Bedeutung ist, basiert das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Innenraumtemperatur des Fahrzeugs auf einem vom Sollwert der Innenraumtemperatur abhängiges Signal und einer ermittelten tatsächlichen Wärmeabgabemenge bzw. Wärmeaufnahmemenge des Insassen im Fahrzeuginnenraum pro Zeit. Aus diesen beiden Signalen wird eine Stellgröße für die Ansteuerung zumindest eines die Klimatisierung des Innenraums beeinflussenden Aktuators (Klappen, Gebläse, Kältekreislauf) gebildet.
  • Idealerweise erfolgt die Temperaturregelung somit in Abhängigkeit von der ermittelten „fehlenden” Wärmemenge im Fahrzeug. So kann aus dem Sollwert der Innenraumtemperatur ein Sollwert der Wärmeabgabemenge des Fahrzeuginsassen ermittelt und als Soll-Signal für die Temperaturregelung herangezogen werden. Die Stellgröße für die Ansteuerung zumindest eines die Klimatisierung des Innenraum beeinflussenden Parameters zum Erreichen einer von der Solltemperatur abhängigen Sollgröße kann dann in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus der Differenz des aus dem Sollwert der Innenraumtemperatur ermittelten Sollwertes der Wärmeabgabemenge des Fahrzeuginsassen und der tatsächlichen Wärmeabgabemenge des Fahrzeuginsassen im Fahrzeuginnenraum ermittelt werden.
  • Da die im Fahrzeuginnenraum tatsächlich abgegebene Wärmemenge stark von der Übertragung der Wärmemenge zwischen Insassen und Umschlie ßungsflächen abhängt, muss dies bei der Ermittlung der abgegebenen Wärmemenge berücksichtigt werden. Im Winter sind die Umschließungsflächen oft kalt und der Insasse gibt somit eine erhebliche Menge an Wärme ab. Bei unzureichender Heizleistung würde der Insasse zu frieren beginnen. Die gesamte Strahlungsleistung auf den Insassen aufgrund der Umschließungsflächen setzt sich aus der Strahlungsleistung der Instrumententafel, der Türen, der Fenster und des Dachs zusammen. Zur Vermeidung zusätzlicher Sensoren können die Temperaturen der Umschließungsflächen und die dadurch verursachte Wärmeabgabemenge anhand der Daten aus der ohnehin vorhandenen Sensorik ermittelt werden.
  • Neben der aufgrund der Umschließungsflächen verursachten Wärmeabgabemenge ist auch die Konvektion, d. h. die Wärmeübertragung von thermischer Energie von einem Ort zu einem anderen Ort zu berücksichtigen. Dabei wird zwischen freier und erzwungener Konvektion unterschieden, wobei bei der freien Konvektion der Teilchentransport ausschließlich durch Auswirkungen des Temperaturgradienten, also zum Beispiel durch Auf- bzw. Abtrieb der Teilchen infolge der durch die Temperaturänderung hervorgerufenen Dichteunterschiede bewirkt wird. Die sog. erzwungene Konvektion wird durch äußere Einflüsse (z. B. Gebläse) hervorgerufen.
  • Schließlich kann bei der Ermittlung der tatsächlichen Wärmeabgabemenge des Insassen im Fahrzeuginnenraum auch die Solarstrahlung berücksichtigt werden. Diese wirkt sowohl direkt auf den Insassen, wie auch indirekt über die Umschließungsflächen. Vorteilhafterweise kann die tatsächliche Wärmeabgabemenge somit aus der Summe der ermittelten umschließungsflächenabhängigen Wärmeabgabemenge und/oder der ermittelten solarstrahlungsabhängigen Wärmeabgabemenge und/oder der ermittelten konvektionsabhängigen Wärmeabgabemenge ermittelt werden. Die Berechung der fehlenden Wärmemenge pro Zeit würde somit gemäß nachfolgender Formel erfolgen: Q .diff = Q .soll – Q .mensch
  • Dabei ist
    • Q .soll die gewünschte Soll-Wärmeabgabemenge pro Zeit und
    • Q .mensch die tatsächliche Wärmeabgabemenge pro Zeit des Insassen. Diese lässt sich wiederum durch folgende Formel berechnen:
    Q .mensch = Q .konv, innen + Q .konv, ausbl + Q .umschlfl + Q .solar,wobei
    • Q .konv, innen die aufgrund der freien Konvektion verursachte abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge,
    • Q .konv, ausblas die aufgrund der erzwungenen Konvektion (Gebläse) verursachte abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge,
    • Q .konv, umschlfl die aufgrund der Umschließungsflächen verursachte abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge, und
    • Q .konv, solar die aufgrund der Solarleistung verursachte abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge ist.
  • Die so ermittelte „fehlende” Wärmemenge bzw. Wärmemengen-Differenz (pro Zeit) kann nun über eine Kennlinie direkt in eine (herkömmliche) Steuergröße umgerechnet werden, so dass keine weitere Anpassung der Temperatursteuerung hinsichtlich der Aktuatoransteuerung in Abhängigkeit von der Steuergröße vorgenommen werden muss. Alternativ kann die die ermittelte Wärmemengen-Differenz auch direkt als Ausgangsgröße künftiger Regler verwendet werden, d. h. die Wärmemengen-Differenz wird als Stellgröße herangezogen.
  • Anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nochmals näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein stark vereinfachtes Strukturdiagramm zur Ermittlung einer Stellgröße für die Ansteuerung zumindest eines die Klimatisierung des Innenraums beeinflussenden Aktuators.
  • Im oberen Pfad des Strukturdiagramms wird aus einem vom Fahrer vorgegebenen Sollwert für die Innenraumtemperatur Tsoll in Abhängigkeit einer vorgegebenen Kennlinie KL1 die gewünschte Soll-Wärmeabgabemenge Q .soll ermittelt.
  • Im darunterliegenden Pfad wird die tatsächliche Wärmeabgabemenge Q .s des Fahrzeuginsassen aus der Summe der separat ermittelten Wärmeabgabenmengen Q .umschlfl, Q .solar, Q .konv, innen und Q .konv, ausblas durch Summenbildung in der Einheit S ermittelt, wobei Q .umschlfl die aufgrund der Umschließungsflächen verursachte abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge, Qsolar die aufgrund der Solarleistung verursachte abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge, Q .konv, innen die aufgrund der freien Konvektion verursachte abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge und Q .konv, ausblas die aufgrund der erzwungenen Konvektion (Gebläse) verursachte abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge ist. Die einzelnen Wärmeabgabemengen Q .umschlfl, Q .solar, Q .konv, innen und Q .konv, ausblas können unter Berücksichtigung der Daten aus der bisherigen Sensorik und Ansteuersignale errechnet werden.
  • Aus der ermittelten gesamten tatsächlichen Wärmeabgabemenge Q .s und der ermittelten gewünschten Soll-Wärmeabgabemenge Q .soll wird durch Differenzbildung in der Einheit D die Wärmemengen-Differenz Qd ermittelt.
  • Die so ermittelte „fehlende” Wärmemenge bzw. Wärmemengen-Differenz Q .d kann nun über eine Kennlinie KL2 direkt in eine (herkömmliche) Steuergröße Y umgerechnet werden, so dass keine weitere Anpassung der Temperatursteuerung hinsichtlich der Aktuatoransteuerung in Abhängigkeit von der Steuergröße Y vorgenommen werden muss.
  • Durch die Berücksichtigung aller relevanten thermophysikalischen Einflüsse kann somit im Rahmen der erfindungsgemäßen Innenraumtemperaturregelung stets das von den Insassen durch Sollwertvorgabe gewünschte Klima eingestellt werden. Insbesondere bei instationären Vorgängen, wie z. B. bei einer Aufheizung des Fahrzeugs im Winter oder bei einem Abkühlen des Fahrzeugs eines durch hohe Außentemperaturen und Sonneneinstrahlung passiv aufgeheizten Fahrzeugs kann das Aufheiz- und Abkühlverhalten durch die Erfindung stark verbessert werden. So wird bei einem Abkühlen des Fahrzeugs nicht etwa zu früh abgeregelt, sondern entsprechend dem Komfortempfinden der Fahrzeuginnenraum noch länger und ggf. stärker als bei bisherigen Regelstrategien abgekühlt. Auch bei einem kurz abgestellten Fahrzeug bei niedriger Außentemperatur erfolgt bei Start kein Überheizen, sondern ein angemessener Heizbetrieb.
  • 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
    • - DE 2621663 A1 [0003]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Regelung der Innenraumtemperatur eines Fahrzeugs auf ein vom Sollwert der Innenraumtemperatur abhängiges Signal durch Ermitteln zumindest einer Stellgröße für die Ansteuerung zumindest eines die Klimatisierung des Innenraums beeinflussenden Aktuators, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stellgröße (Y) in Abhängigkeit von dem vom Sollwert der Innenraumtemperatur (Tsoll) abhängigen Signal (Q .soll) und einer ermittelten tatsächlichen Wärmeabgabemenge (Q .s) des Insassen im Fahrzeuginnenraum ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Sollwert der Innenraumtemperatur (Tsoll) als Signal ein Sollwert der Wärmeabgabemenge (Q .soll) des Fahrzeuginsassen ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (Y) aus der Differenz (Q .d) des aus dem Sollwert der Innenraumtemperatur ermittelten Sollwertes der Wärmeabgabemenge (Q .soll) des Fahrzeuginsassen und der ermittelten tatsächlichen Wärmeabgabemenge (Q .s) des Insassen im Fahrzeuginnenraum ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächliche Wärmeabgabemenge (Q .s) des Insassen im Fahrzeuginnenraum in Abhängigkeit einer ermittelten umschließungsflächenabhängigen Wärmeabgabemenge (Q .umschlfl) und/oder einer solarstrahlungsabhängigen Wärmeabgabemenge (Q .solar) und/oder einer konvektionsabhängigen Wärmeabgabemenge (Q .konv, innen; Q .konv, ausblas), ermittelt wird, wobei die konvektionsabhängige Wärmeabgabemenge insbesondere unter Berücksichtigung einer aufgrund einer freien Konvektion verursachten Wärmeabgabemenge (Q .konv, innen) und einer aufgrund einer erzwungenen Konvektion verursachten Wärmeabgabemenge (Q .konv, ausblas) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächliche Wärmeabgabemenge (Q .s) des Insassen aus der Summe der ermittelten umschließungsflächenabhängigen Wärmeabgabemenge (Q .umschlfl) und/oder der ermittelten solarstrahlungsabhängigen Wärmeabgabemenge (Q .solar) und/oder der ermittelten konvektionsabhängigen Wärmeabgabemenge (Q .konv, innen; Q .konv, ausblas) ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Sollwertes der Wärmeabgabemenge (Q .soll) des Insassen und der ermittelten tatsächlichen Wärmeabgabemenge (Q .s) des Insassen im Fahrzeuginnenraum ermittelte Wärmemengen-Differenz (Q .d) über eine Kennlinie (KL2) in die Stellgröße (Y) umgerechnet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Sollwert der Wärmeabgabemenge (Q .soll) des Insassen und der ermittelten tatsächlichen Wärmeabgabemenge (Q .s) des Insassen im Fahrzeuginnenraum ermittelte Wärmemengen-Differenz (Q .d) als Stellgröße für die für die Ansteuerung zumindest eines die Klimatisierung des Innenraums beeinflussenden Aktuators herangezogen wird.
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