DE102016015261B4 - Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Klimaanlage mit einem Klimagerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Klimaanlage mit einem Klimagerät (1) mit Luftkanälen (4.1, ... 12.1) mit jeweils einer Luftverteilungsklappe (4.0, ... 12.0) und wenigstens einer handbetätigbaren Ausströmklappe (4.20, ... 7.20), wobei auf der Basis eines mathematischen Modells des Klimagerätes (1) eine physikalische Größe des in wenigstens einem Luftkanal (4.1, ... 12.1) geführten Teilluftstromes berechnet wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass aus Stellgrößen (y) für die Fahrzeug-Klimaanlage, einem modellhaft bestimmten Klappenwinkel der wenigstens einen handbetätigbaren Ausströmklappe, einer Warmlufttemperatur (Tmax) der von dem Heizungswärmetauscher (3) erwärmten Luft und einer Verdampferlufttemperatur (Tmin) auf der Basis des mathematischen Modells eine Modellausblastemperatur (Tj,Modell) des über den Luftkanal (4.1, ... 12.1) mit der handbetätigbaren Ausströmklappe (4.20, ... 7.20) strömenden Teilluftstroms bestimmt wird, die berechnete Modellausblastemperatur (Tj,Modell) mit einer gemessenen Ausblastemperatur (Tj,Mess) verglichen und ein Temperaturdifferenzwert (ΔTj) bestimmt wird, ferner ein Klappenkorrekturwinkel (αji,korr) der Ausströmklappe (4.20, ... 7.20) in Abhängigkeit des Temperaturdifferenzwertes (ΔTji) und der Stellgrößen (y) auf der Basis des mathematischen Modells bestimmt wird, und schließlich zur Ermittlung des modellhaft bestimmten Klappenwinkels (αj) der Ausströmklappe (4.20, ... 7.20) sukzessiv bestimmte Klappenkorrekturwinkel (αji,korr) ermittelt werden, bis ein Klappenkorrekturwinkel (αji,korr) zu einem Temperaturdifferenzwert (ΔTji) führt, welcher kleiner als eine vorgegebene Schwelle (Sα) ist und welcher als modellhaft bestimmter Klappenwinkel Klappenwinkel (αj) verwendet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Klimaanlage mit einem Klimagerät zur Luftführung und zur Aufnahme von Klimaaggregaten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Ein solches gattungsbildendes Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Klimaanlage ist aus der EP 1 669 226 B1 bekannt. Dieses bekannte Verfahren geht von dem Problem aus, dass bei einer Verteilung von Luft in einem Klimagerät auf einzelne Auslassöffnungen mit durch Aktuatoren gesteuerten Absperrklappen eine Änderung eines Klappenwinkels einer bestimmten Absperrklappe zu einer unerwünschten Rückwirkung auf die Massenströme der übrigen Auslassöffnungen führt. Ferner wird darauf hingewiesen, dass das manuelle Absperren einzelner Auslassdüsen in einem solchen Fall nur unvollständig kompensiert wird.
• Zur Lösung des genannten Problems wird gemäß dieser EP 1 669 226 B1 vorgeschlagen, die Regelung von einzelnen Luftmassenströmen in den Luftkanälen eines Klimagerätes auf der Basis eines mathematischen Modells als Anlagenmodell durchzuführen, welches das Klimagerät als Luftverteil-Anlage unter Einbeziehung von Ansaugtrakt, Gebläse, Wärmetauscher, Mischluftklappen und Luftkanälen modelliert. Das Verfahren sieht N Regelgrößen ṁ_i mit i = 1, ... N vor, wobei N die Anzahl der mittels eines Aktuators gesteuerten Klappen und ṁ_i der i-te Massenstrom der i-ten Klappe ist. Die Klappen 1 bis N werden parallel mit je einem eigenen Regler gesteuert, wobei die Stellgrößen dieser Regler die zugehörigen Klappenwinkel α_i sind. Das Gebläse wird durch einen übergeordneten Regler geregelt. Die Klappenwinkel von gegebenenfalls manuell verstellbaren Ausströmklappen werden als Störgrößen angesehen, wobei die Positionen dieser manuellen Ausströmklappen sensorisch erfasst werden müssen. Mit diesem bekannten Verfahren soll eine nahezu rückwirkungsfreie Verstellung der Luftmassenströme der durch Aktuatoren verstellbaren Klappen in Luftkanälen eines Klimagerätes ermöglicht werden.
• Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren gemäß der EP 1 669 226 B1 ist das Erfordernis, dass die Berücksichtigung einer manuellen Verstellung einer Ausströmklappe durch einen Fahrzeuginsassen ein Sensor zur Detektion der Position einer solchen Ausströmklappe erforderlich ist.
• Ferner ist ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Klimaanlage mit einem Klimagerät aus der US 4 358 936 A bekannt, bei welchem ein aus Umgebungsluft und Umluft des Fahrzeuginnenraums sich zusammensetzender Luftstrom über ein Gebläse, einen Verdampfer und einen Heizer in den Fahrzeuginnenraum geführt wird, wobei sich der Luftstrom in Abhängigkeit der Stellung einer Umluftklappe aus Umgebungsluft und Umluft zusammensetzt und der Anteil der über den Heizer geführten Luftstrom in Abhängigkeit der Stellung einer Temperaturregelklappe eingestellt wird. Die Umluftklappe und die Temperaturregelklappe werden motorisch mittels eines Aktuators eingestellt, welcher von einer Steuereinheit eingestellt wird. Mit einem Temperatursensor stromabwärts des Verdampfers wird die Temperatur des gekühlten Zuluftstroms, mit einem Innenraumsensor die Temperatur im Fahrzeuginnenraum und mit einem weiteren Temperatursensor die Temperatur der Umgebung des Fahrzeugs erfasst. Schließlich wird mit einem Positionssensor die Position der Temperaturregelklappe detektiert.
• Mit diesem bekannten Verfahren gemäß der US 4 358 936 A wird nach einem Systemstart des Kältemittelverdichters der Fahrzeug-Klimaanlage ein Zähler gestartet, um repetitiv bei einem Zählerstand von ungleich Null die Umluftklappe, das Gebläse und die Temperaturregelklappe nach vorgegebenen Verfahrensschritten zu steuern. Bei einem Zählerstand von Null wird nach vorgegebenen Verfahrensschritten der Kältemittelverdichter gesteuert.
• Zur Durchführung der erstgenannten Verfahrensschritte wird in Abhängigkeit eines Sollwertes der Temperatur des Fahrzeuginnenraums, des Istwertes der Temperatur des Fahrzeuginnenraums, der Umgebungstemperatur und der Temperatur am Verdampfer eine optimale Position der Temperaturregelklappe bestimmt. Aus dem Wert der optimalen Position der Temperaturregelklappe und einem gewichteten Wert des Istwertes der Position der Temperaturregelklappe wird eine Differenz gebildet. In Abhängigkeit des Wertes der Differenz wird die Position der Temperaturregelklappe eingestellt, bis deren optimale Position erreicht ist. Anschließend wird die Drehzahl des Gebläses in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur, der Temperatur des Fahrzeuginnenraums und des Sollwertes der Temperatur des Fahrzeuginnenraums gesteuert.
• Zur Durchführung der zweitgenannten Verfahrensschritte wird in Abhängigkeit der Differenz des Istwertes der Temperatur des Fahrzeuginnenraums und des Sollwertes der Temperatur des Fahrzeuginnenraums der Kältemittelverdichter periodisch ein- und ausgeschaltet.
• Schließlich ist auch aus der DE 10 2009 059 983 A1 eine Fahrzeug-Klimaanlage mit einem Klimagerät mit wenigstens einer ersten Ausblasöffnung in den Fahrzeuginnenraum und einer zweiten Ausblasöffnung in den Fahrzeuginnenraum, wobei jeweils an diesen Ausblasöffnungen ein Temperatursensor vorgesehen ist. Der Luftstrom aus der ersten Ausblasöffnung ist mittels einer steuerbaren Klappe, die von einer Steuerung angesteuert wird, einstellbar. Die zweite Ausblasöffnung weist eine handbetätigbare Klappe auf, die bspw. von einem Fahrer manuell geöffnet oder geschlossen werden kann. Mittels der Steuerung werden die Temperaturwerte der beiden Temperatursensoren der beiden Auslassöffnungen derart verarbeitet, dass auf einen Öffnungszustand der manuell bedienbaren Klappe der zweiten Ausblasöffnung geschlossen werden kann.
• Es ist Aufgabe der Erfindung ein gegenüber dem bekannten Stand der Technik verbessertes Verfahren anzugeben, bei welchem ohne die Verwendung von die Position von Ausströmklappen detektierenden Sensoren wenigstens ein Innenraumklimatisierungsparameter der Insassenkabine eines Fahrzeugs geregelt wird.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Dieses Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Klimaanlage mit einem Klimagerät zur Luftführung eines demselben zugeführten Gesamtvolumenstroms V̇_ges und zur Aufnahme eines Verdampfers eines Heizwärmetauschers und von in eine Insassenkabine führenden Luftkanälen mit jeweils einer mittels eines elektrischen antriebsverstellbaren Luftverteilungsklappe und wenigstens einer handbetätigbaren Ausströmklappe, bei dem auf der Basis eines mathematischen Modells des Klimagerätes eine physikalische Größe des in wenigstens einen Luftkanal geführten Teilluftstromes berechnet wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
1. a) zur Bestimmung von Stellgrößen y zur Verstellung der Luftverteilungsklappen in Abhängigkeit eines Sollwertes T_soll eines Klimaparameters T und eines modellhaft bestimmten Klappenwinkels α_j der wenigstens einen handbetätigbaren Ausströmklappe eine Klimaregelung des Klimaparameters durchgeführt wird,
2. b) aus den Stellgrößen y zur Verstellung der Luftverteilungsklappen, dem modellhaft bestimmten Klappenwinkel α_j , einer Warmlufttemperatur T_max der von dem Heizwärmetauscher erwärmten Luft, einer Verdampferlufttemperatur T_min auf der Basis des mathematischen Modells des Klimagerätes eine Modellausblastemperatur T_j,Modell des über den Luftkanal mit der handbetätigbaren Ausströmklappe strömenden Teilluftstroms bestimmt wird,
3. c) die berechnete Modellausblastemperatur T_j,Modell mit einem mittels eines in dem Luftkanal angeordneten Temperatursensors gemessenen Ausblastemperatur T_j,Mess verglichen und ein Temperaturdifferenzwert ΔT_j bestimmt wird,
4. d) ein Klappenkorrekturwinkel α_ij,korr der Ausströmklappe in Abhängigkeit des Temperaturdifferenzwertes ΔT_j und der gemäß Verfahrensschritt a bestimmten Stellgrößen y auf der Basis des mathematischen Modells des Klimagerätes bestimmt wird, und
5. e) zur Ermittlung des modellhaft bestimmten Klappenwinkels α_j der Ausströmklappe mittels den Verfahrensschritten b bis d sukzessiv bestimmte Klappenkorrekturwinkel α_ji,korr ermittelt werden, bis ein Klappenkorrekturwinkel α_ji,korr zu einem Temperaturdifferenzwert ΔT_j führt, welcher als eine vorgegebene Schwelle S_α ist und welcher als modellhaft bestimmter Klappenwinkel α_j der Klimaregelung zur Durchführung des Verfahrensschrittes a als Eingangsgröße zugeführt wird.
• Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wirkung einer manuellen Verstellung einer Ausströmklappe auf die Luftverteilung im Klimagerät ohne die Verwendung eines die Klappenposition detektierenden Sensors kompensiert, indem auf der Basis eines das physikalische System des Klimagerätes abbildenden Modells und den im Fahrzeug bekannten Randbedingungen, wie die Stellung der Luftverteilungsklappen im Klimagerät, der Drehzahl eines Gebläses des Klimagerätes und eines Sollwertes eines Klimaparameters, bspw. der von einem Fahrzeuginsassen eingestellten Temperatur, eines modellhaft bestimmten Klappenwinkels der handbetätigbaren Ausströmklappen usw. eine Modellausblastemperatur T_j,Modell bestimmt wird. Diese modellhaft bestimmte Modellausblastemperatur T_j,Modell wird mit einem Istwert T_j,Mess der Ausblastemperatur verglichen, der mit einem in dem jeweiligen Luftkanal angeordneten Temperatursensor gemessen wird. Eine Temperaturdifferenz ΔT j zwischen der modellhaft berechneten Ausblastemperatur T_j,Modell und der gemessenen Ausblastemperatur T_j,Mess wird auf eine geänderte Randbedingung, nämlich auf eine durch einen Fahrzeuginsassen manuell verstellte Ausströmklappe zurückgeführt, da eine durch die verstellte Ausströmklappe bewirkte Änderung des in dem entsprechenden Luftkanal geführten Teilluftstromes sich unmittelbar auf die gemessene Ausblastemperatur T_j,Mess auswirkt. Aus dieser Temperaturdifferenz ΔT_j sowie den von der Klimaregelung ermittelten Stellgrößen wird auf der Basis des mathematischen Modells des Klimagerätes ein korrigierter Klappenkorrekturwinkel α_ji,korr bestimmt. Dieses Verfahren wird sukzessiv so lange wiederholt, bis die Temperaturdifferenz ΔT_j kleiner als eine vorgegebene Schwelle S_α ist, der zugehörige Klappenwinkel α_ji,korr stellt dann den Klappenwinkelistwert α_j dar, welcher als aktueller Klappenwinkel α_j der Klimaregelung zugeführt wird.
• Somit kann mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren auf den Klappenwinkel messenden Potentiometern an denjenigen Ausströmern verzichtet werden, die mit manuell verstellbaren Ausströmklappen ausgestattet sind. Für die Klimaregelung wird dann der berechnete Klappenwinkel als Istwert verwendet.
• Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verfahrensschritt b durchgeführt wird, indem
• b1) aus den ermittelten Stellgrößen y zur Verstellung der Luftverteilungsklappen, dem Klappenwinkel α_j , einer Warmlufttemperatur Tmax der von dem Heizwärmetauscher erwärmten Luft und einer Verdampferlufttemperatur Tmin auf der Basis des mathematischen Modells des Klimagerätes der über den Luftkanal mit der handbetätigbaren Ausströmklappe strömende Volumenstromanteil V̇_j als Teilluftstrom des Gesamtvolumenstroms V̇_ges berechnet wird,
• b2) mittels eines Mischungsbruch-Volumenstromanteil-Kennfeldes der Mischungsbruch M_j für den berechneten Volumenstromanteil V̇_j bestimmt wird,
• b3) die Modellausblastemperatur T_j,Modell des in dem Luftkanal geführten Luftstromes aus dem gemäß Verfahrensschritt b2 bestimmten Mischungsbruch M_j mit folgender Formel berechnet wird: $$M_j=\frac{T_{j,Modell}-T_{min}}{T_{max}-T_{min}},$$
  
  wobei T_max die Warmlufttemperatur der von dem Heizwärmetauscher erwärmten Luft und T_min die Verdampferlufttemperatur ist.
• Bei dieser vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird aus den Stellgrößen für die Fahrzeug-Klimaanlage und dem modellhaft bestimmten Klappenwinkel zunächst der daraus resultierende Volumenstromanteil V̇_j als Teilluftstrom des Gesamtvolumenstroms V̇_ges für jeden Luftkanal, also bspw. für einen Mannausströmer in der Mitte und die Mannausströmer der Seiten berechnet und hieraus mittels einer normierten Größe, nämlich des Mischungsbruchs die Modellausblastemperatur T_j,Modell berechnet.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Klimagerätes einer Fahrzeug-Klimaanlage,
• 2 ein schematisches Blockschaltbild des Klimagerätes nach 1,
• 3 ein schematisches Blockschaltbild für eine Klimaregelung einer Fahrzeug-Klimaanlage zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
• 4 ein Mischungsbruch-Volumenstromanteil-Kennfeld zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein Klimagerät 1 einer Fahrzeug-Klimaanlage gemäß 1 sowie ein zugehöriges und in 2 dargestelltes Blockschaltbild mit den für das erfindungsgemäße Verfahren relevanten Komponenten erläutert.
• Nach 1 ist in einem Gehäuse 1.0 des Klimagerätes 1 wenigstens ein Gebläse 13 angeordnet, welchem über eine schematisch angedeutete Lufteintrittsöffnung 1.1 ein Frischluftstrom L1 als Gesamtvolumenstrom V̇_ges zugeführt wird. Dieser Frischluftstrom L1 wird über ein Luftfilter 15, einem Verdampfer 2 und einem Heizwärmetauscher 3 innerhalb einer Mischkammer 14 auf verschiedene Luftkanäle 4.1, 5.1, 6.1, 7.1, 8.1, 9.1, 10.1, 11.1, und 12.1 verteilt und über entsprechende Ausströmer 4 2, 5.2, 6.2, 7.2, 8.2, 9.2, 10.2, 11.2 und 12.2 in eine Fahrzeugkabine des Fahrzeugs geleitet. Ausgehend von der Mischkammer 14 sind die zugehörigen Luftpfade 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12 in dem Blockschaltbild gemäß 2 dargestellt.
• Mittels eines Verstellelementes 13.1 kann ein Umluftstrom L2 über einen Umluftkanal 16 in das Gehäuse 1.0 geleitet werden.
• Nach diesem Blockschaltbild gemäß 2 sind die Luftpfade 4, 5, 8 und 11 auf die linke Seite des Fahrzeuginnenraums, während die Luftpfade 6, 7, 9 und 12 auf die rechte Seite des Fahrzeuginnenraums geführt. Der Luftpfad 10 betrifft einen Defrosterkanal.
• Die in diese Luftpfade 4 bis 12 strömenden Teilluftströme werden mittels Luftverteilungsklappen 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 11.0 und 12.0 eingestellt, wobei diese Luftverteilungsklappen kontinuierlich zwischen einer den Luftkanal vollständig verschließenden und einer den Luftkanal vollständig öffnenden Position mittels eines elektrischen Antriebs (in den 1 und 2 nicht dargestellt) verstellbar sind.
• Der Luftpfad 4 bzw. 6 endet in einem Mannausströmer „Mitte“ der linken bzw. rechten Fahrzeugseite mit einer handbetätigbaren Ausströmklappe, die mit dem Bezugszeichen 4.20 bzw. 6.20 bezeichnet ist.
• Der Luftpfad 5 bzw. 7 endet in einem Mannausströmer „Seite“ der linken bzw. rechten Fahrzeugseite mit einer handbetätigbaren Ausströmklappe, die mit dem Bezugszeichen 5.20 bzw. 7.20 bezeichnet ist.
• Die Luftpfade 8 und 9 enden mit einem Fußausströmer ohne Ausströmklappe auf der linken bzw. rechten Fahrzeugseite. Ebenso endet der Luftpfad 10 in einem Ausströmer 10.2 ohne Ausströmklappe.
• Die Luftpfade 11 und 12 enden mit einem Fond-Ausströmer 11.2 bzw. 12.2 ohne Ausströmklappe im Fond der Fahrzeugkabine auf der linken bzw. rechten Fahrzeugseite.
• Zur Messung der Verdampferlufttemperatur T_min des von dem Verdampfer 2 gekühlten Luftstromes ist ein Temperatursensor T1 und zur Messung der Warmlufttemperatur T_max des von dem Heizwärmetauscher 3 erwärmten Luftstromes ist ein weiterer Temperatursensor T2 in dem Klimagerät 1 angeordnet.
• Das Klimagerät 1 nach 1 kann auch derart ausgeführt sein, dass der über den Verdampfer 2 zugeführte Gesamtvolumenstrom V̇_ges mittels einer weiteren Luftverteilungsklappe in zwei Teilluftströme derart aufgeteilt wird, dass ein Teilluftstrom direkt in die Mischkammer 14 und der andere Teilluftstrom über den Heizwärmetauscher 3 und erst anschließend in die Mischkammer 14 geleitet wird.
• Gemäß 3 regelt ein Klimasteuergerät SG auf der Basis einer Klimaregelung die Fahrzeug-Klimaanlage und somit insbesondere auch das Klimagerät 1 gemäß den 1 und 2.
• Mit dieser Klimaregelung erfolgt eine Regelung zumindest eines Klimaparameters T, bspw. der Innenraumtemperatur der Fahrzeugkabine, in Abhängigkeit eines Sollwertes T_soll und in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebszuständen des Fahrzeugs, bspw. der Fahrgeschwindigkeit und Umgebungsbedingungen des Fahrzeugs, wie bspw. der Außentemperatur und dem von einem Fahrzeuginsassen manuell eingestellten Betriebsmodus, indem Stellgrößen y zur Einstellung des Frischluftstromes L1 mittels des Gebläses 13 sowie Stellgrößen y zur Verstellung der Luftverteilungsklappen 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 11.0 und 12.0 mittels eines elektrischen Antriebs bestimmt werden. In Abhängigkeit der Position der Luftverteilungsklappen stellt sich jeweils eine bestimmte Ausblastemperatur an den Ausströmern 4.2, 5.2, 6.2, 7.2, 8.2, 9.2, 10.2, 11.2, 12.2 ein. Damit stellen die Klappenpositionen dieser Luftverteilungsklappen 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 11.0 und 12.0 innerhalb der Klimaregelung bekannte Größen dar.
• Die Luftpfade 4, 5, 6 und 7 enden jedoch in einem Ausströmer 4.2, 5.2, 6.2 bzw. 7.2 mit einer handbetätigbaren Ausströmklappe 4.20, 5.20, 6.20 bzw. 7.20. Diese Ausströmklappen 4.20, 5.20, 6.20 und 7.20 können über die Klimaregelung nicht eingestellt werden. Eine manuelle Verstellung dieser Ausströmklappen führt zu einer veränderten Luftverteilung in den Luftpfaden 4 bis 10. So kann bspw. das vollständige Schließen einer der Ausströmklappen zu einem erhöhten Teilluftstrom an den verbleibenden Luftpfaden und somit zu Komforteinbußen der Fahrzeuginsassen führen. Um eine Klimaregelung an eine manuell verstellte Ausströmklappe anzupassen, muss die aktuelle Klappenposition dieser Ausströmklappen erfasst werden.
• Die aktuelle Klappenposition einer Ausströmklappe wird mittels des anhand der 3 und 4 erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt, ohne dass hierfür eine Sensorik erforderlich ist.
• Hierzu werden die von der Klimaregelung ermittelten Stellgrößen y, das sind die Klappenpositionen, d. h. die Klappenwinkel α der Luftverteilungsklappen 4.0 bis 12.0, die mittels des Temperatursensors T1 gemessenen Warmlufttemperatur T_max des von dem Heizwärmetauscher 3 erwärmten Luftstromes sowie die von dem Temperatursensor T2 gemessenen Verdampferlufttemperatur Tmin der Fahrzeug-Klimaanlage, insbesondere dem Klimagerät 1 zugeführt. Bei der Bestimmung dieser Stellgrößen y geht die Klimaregelung für jede der Ausströmklappen 4.20, 5.20, 6.20 und 7,20 der Ausströmer 4.2, 5.2, 6.2 und 7.2 von jeweils einem Initialwert α_i mit i = 0 für die unbekannte Klappenposition aus. Zusätzlich werden diese Stellgrößen y und die Initialwerte α₀ für die Klappenpositionen der Ausströmklappen 4.20, 5.20, 6.20 und 7.20 auch gemäß 3 einer Modellberechnungseinheit M1 zugeführt. Als Initialwert α₀ für die unbekannten Klappenwinkel der Ausströmklappen 4.20 bis 7.20 wird bspw. der Wert 0, der näherungsweise einer voll geöffneten Ausströmklappe entspricht, verwendet. Der Index j bezeichnet die vier Ausströmklappen 4.20 bis 7.20.
• Die Komponenten des jeweiligen Luftpfades 4 bis 12 haben einen spezifischen Widerstandswert ξ, welcher für jeden Luftpfad aus Messungen ermittelt und als konstant betrachtet wird. Die Widerstandswerte ξ der Luftverteilungs- und Ausströmklappen 4.0 bis 12.0 und 4.20 bis 7.20 sind abhängig von der jeweiligen Klappenposition, also dem zugehörigen Klappenwinkel. Die Abhängigkeit des Widerstandes ξ vom Klappenwinkel dieser Klappen kann aus Messungen oder in bekannter Weise durch eine Approximation (vgl. IDELCHIK, Isaak E.; FRIED, Erwin. Handbook of hydraulic resistance. 1986; und KIMURA, Takeyoshi, et al. Hydrodynamic characteristics of a butterfly valve Prediction of pressure loss characteristics. ISA Transactions, 1995, 34. Jg., Nr. 4, S. 319-326) berechnet werden. Mittels der Widerstände ξ wird analog zur Elektrotechnik ein hydraulisches Widerstandsnetzwerk aufgebaut, welches dem Blockschaltbild des Klimagerätes 1 nach 2 entspricht.
• Für dieses Widerstandsnetzwerk gemäß 2 werden auf der Basis eines Klimagerät-Modells der Modellberechnungseinheit M1 zunächst aus den zugeführten Stellgrößen y sowie den Initialwerten α₀ als Eingangsgrößen der Modellberechnungseinheit M1 die Teilluftströme als Anteil des Gesamtvolumenstroms V̇_ges berechnet, die als Volumenstromanteil V̇_j über jeweils einen Ausströmer 4.2 bis 12.2 in die Fahrzeugkabine strömen, wobei mit j (j = 1, 2, 3, 9) die neun Ausströmer 4.2 bis 12.2 bezeichnet werden.
• Dieses Klimagerät-Modell wird in bekannter Weise als eindimensionales Modell aufgebaut (vgl. HAGER, Josef; ANZENBERGER, Thomas, Eine umfassende Methode zur frühzeitigen Analyse der Luftströmungen in Klimageräten, Ausströmern und Kanälen. PKW-Klimatisierung III: Klimakonzepte, Regelungsstrategien und Entwicklungsmethoden, 2003, 27. Jg., S. 190).
• Um jeweils aus den Volumenstromanteilen V̇_j der Luftpfade 4, 5, 6 und 7 mit den Ausströmklappen 4.20 bis 7.20 eine Ausblastemperatur zu bestimmen, welche am Ausgang der Modellberechnungseinheit M1 als Modellausblastemperatur T_j,Modell bereitgestellt wird, wird eine normierte Größe, nämlich ein Mischungsbruch M_j verwendet, der wie folgt definiert ist: $$M_j=\frac{T_{j,Modell}-T_{min}}{T_{max}-T_{min}},$$

  

  wobei T_max die Warmlufttemperatur der von dem Heizwärmetauscher 3 erwärmten Luft und T_min die Verdampferlufttemperatur am Verdampfer 2 ist. Der Index j (j = 1, 2, 3, 4) bezeichnet die vier Ausströmklappen 4.20, 5.20, 6.20 und 7.20.
• Der Mischungsbruch M_j beschreibt wie viel Prozent der maximalen Temperaturerhöhung an dem jeweiligen Ausströmer mit Ausströmklappe vorliegt. Der Mischungsbruch M_j korreliert ferner zu dem Anteil des Gesamtvolumenstroms V̇_ges, also der Luftverteilung. Typischerweise stellt sich bei einer bestimmten Luftverteilung ein definierter Mischungsbruch M_j an den jeweiligen Ausströmern mit Ausströmklappen ein. Die Beziehung zwischen dem Mischungsbruch M_j und dem Gesamtvolumenstrom V̇_ges kann entweder aus Messungen bestimmt werden oder durch eine bekannte modellbasierte Korrelation (KUMAR, Gurunathan Varun, et al. Comparison of Different Approaches for Temperature Analysis in an Automotive HVAC System. SAE Technical Paper, 2014). Beispielhaft zeigt 4 ein diesen Zusammenhang anzeigendes Mischungsbruch-Volumenstromanteil-Kennfeld.
• So wird mittels der Modellberechnungseinheit M1 für jeden Volumenstromanteil V̇_j der Luftpfade 4, 5, 6 und 7 mit den Ausströmklappen 4.20 bis 7.20 mittels der Kennlinie gemäß 4 jeweils ein Mischungsbruch M_j für die Ausströmer 4.2 bis 7.2 mit den Ausströmklappen 4.20 bis 7.20 bestimmt.
• Da die Warmlufttemperatur T_max und die Verdampferlufttemperatur T_min bekannt sind, kann mittels der oben genannten Formel die Modellausblastemperatur T_j,Modell berechnet werden, die als Ausgangsgröße am Ausgang der Modellberechnungseinheit M1 als Ausgangsgröße bereitgestellt wird.
• Diese Modellausblastemperatur T_j,Modell wird mit einer mittels eines weiteren Temperatursensors T3 (vgl. 1) gemessenen Ausblastemperatur T_j,Mess als Istwert verglichen, indem ein Temperaturdifferenzwert ΔT_j ermittelt wird.
• Falls dieser Temperaturdifferenzwert ΔT_j kleiner als eine vorgegebene Schwelle S_α ist, welche einen kleinen positiven Wert, also ungefähr den Wert Null aufweist und der Index i < 1 ist, wird gemäß 3 der Initialwert α₀ als aktueller Klappenwinkel α_j (j = 1, 2, 3, 4) einer der vier Ausströmklappe 4.20 bis 7.20 dem Steuergerät SG zugeführt, um mittels der Klimaregelung die Stellgrößen y zu bestimmen.
• Falls jedoch der Temperaturdifferenzwert ΔT_j größer als die vorgegebene Schwelle S_α ist, wird dieser Temperaturdifferenzwert ΔT_j einem Zustandsbeobachter M2 zugeführt und der Index i des Klappenwinkels α_ji um einen Zähler erhöht, also von α₀ auf α_ji bzw. von α_ji auf α_ji+1, wobei mit dem Index j die vier Ausströmklappen 4.20 bis 7.20 bezeichnet werden.
• Aus der Regelungstechnik ist es bekannt, wie ein solcher Zustandsbeobachter M2 zu entwerfen und auszulegen ist (vgl. ZHANG, Jian; SWAIN, Akshya Kumar; NGUANG, Sing Kiong. Robust Observer-Based Fault Diagnosis for Nonlinear Systems Using MATLAB®. 2016). Mit diesem Zustandsbeobachter M2 wird auf der Basis des Klimagerät-Modells, welches auch von der Modellberechnungseinheit M1 verwendet wird, aus den als Eingangsgrößen zugeführten Stellgrößen y, den Initialwerten α₀ sowie dem Temperaturdifferenzwert ΔT_j die unbekannte Zustandsgröße, nämlich den Klappenwinkel α_j der Ausströmklappen 4.20 bis 7.20 der Ausströmer 4.2 bis 7.2 zu bestimmen.
• Falls der auf der Basis des Initialwertes α₀ bestimmte Temperaturdifferenzwert ΔT_j größer als die vorgegebene Schwelle S_α ist, wird aus den genannten Eingangsgrößen ein Klappenkorrekturwinkel α_j1,korr bestimmt und der Modellberechnungseinheit M1 zugeführt, die nun aus den Stellgrößen y sowie aus diesem Klappenkorrekturwinkel α_j1,korr anstelle des Initialwertes α₀ die Modellausblastemperatur T_j,Modell bestimmt.
• Diese Verfahrensschritte zur Bestimmung eines Klappenkorrekturwinkels α_ji,korr wird so lange wiederholt, bis der Temperaturdifferenzwert ΔT_j für einen Klappenkorrekturwinkel α_ji,korr kleiner als die vorgegebene Schwelle S_α ist. Falls gemäß 3 die Bedingung i < 1 nicht zutrifft, wird dieser Klappenkorrekturwinkel α_ji,korr als aktueller Klappenwinkel α_j dem Steuergerät SG zugeführt, wobei der Index i der Anzahl der Wiederholungen zur Bestimmung dieses Klappenkorrekturwinkels α_ji,korr entspricht.
• Somit kann mit diesem Verfahren ohne die Verwendung eines Sensors die Klappenposition, also der Klappenwinkel α_j mit j = 1, 2, 3, 4 für die vier Ausströmklappen 4.20 bis 7.20 bestimmt werden.
• Im Folgenden soll ein konkretes Zahlenbeispiel das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlichen.

  Eingangsgröße	Wert
  Klappenstellung Luftverteilungsklappe 5.0	50%
  Klappenstellung Luftverteilungsklappe 8.0	50%
  Klappenstellung Ausströmklappe 5.20 (Initialwert)	100%
  Alle anderen Klappenstellungen	0%
  Gemessene Temperatur im Ausströmer 5.2	60 °C
  Gemessene Temperatur im Ausströmer 8.2	40 °C
  Gemessene Warmlufttemperatur Tmax nach Heizwärmetauscher 3	80 °C
  Gemessene Verdampferlufttemperatur Tmin nach Verdampfer 2	4 °C

• Bei diesem Zahlenbeispiel sind die Klappenpositionen als Prozentwerte angegeben, d. h. ein Wert von 100 % entspricht einer offenen Ausströmklappe 5.20, während ein Wert von 50 % einer halboffenen Luftverteilungsklappe 8.0 oder 5.0 entspricht. Für die Ausströmklappe 5.20 des Ausströmers 5.2 wird ein Initialwert α₀ von 100 % angenommen.
• Aus den gegebenen Werten geht hervor, dass die Luft lediglich über zwei Ausströmer 5.2 und 8.2 in die Fahrzeugkabine gelangt. Die Modellberechnungseinheit M1 berechnet auf der Basis des Klimagerät-Modells aus den Stellgrößen y und dem Initialwert α₀ von 100 %, dass 60% als Volumenstromanteil V̇_j eines Teilluftstromes des gesamten Volumenstroms V̇_ges über den Luftpfad 5 in den Fahrzeuginnenraum strömt. Mittels der Mischungsbruch-Volumenstromanteil-Kennlinie gemäß 4 beträgt der für diesen Volumenstromanteil V̇_j von 60 % an dem Ausströmer 5.2 zu erwartende Mischungsbruch M_j = 0,65 (vgl. Pkt 1 in 4). Dieser Punkt 1 stellt den Startwert des Mischungsbruchs M_j dar.
• Aus der oben angegebenen Formel für den Mischungsbruch M_j ergibt sich mit den angegebenen Temperaturen T_max und T_min eine Modellausblastemperatur T_j,Modell von 53,4 °C an dem Ausströmer 5.2. Der Temperaturdifferenzwert aus der Modellausblastemperatur T_j,Modell und der gemessenen Temperatur T_j,Mess beträgt somit ΔT_j = 6,6 K. Mittels des Zustandsbeobachter M2 wird anhand dieses Temperaturdifferenzwertes ΔT_j und den Stellgrößen y sowie des Initialwertes α₀ die Klappenposition der Ausströmklappe 5.20 im Ausströmer 5.2 rekonstruiert. Da sich im Ausströmer 8.2 keine Ausströmklappe befindet, muss lediglich die Klappenstellung der Ausströmklappe 5.20 im Ausströmer 5.2 angepasst werden. Der Mischungsbruch M_j muss am Ausströmer 5.2 als Sollwert ungefähr 0,74 betragen (vgl. Punkt P2 in 4). Aus der Mischungsbruch-Volumenstromanteil-Kennlinie nach 4 wird dieser Wert erreicht, wenn der Volumenstromanteil V̇_j des Gesamtvolumenstroms V̇_ges um den Wert ΔV̇ sinkt. Dies bedeutet, dass die Ausströmklappe 5.20 im Ausströmer 5.2 nicht zu 100% geöffnet, sondern teilweise geschlossen ist. Auf der Basis des Klimagerät-Modells wird mittels des Zustandsbeobachters M2 der Klappenkorrekturwinkel α_ji,korr der Ausströmklappe 5.20 im Ausströmer 5.2 korrigiert, bis die oben genannte Bedingung ΔT_j < S_α erfüllt ist. Die Klappenstellung, d. h. der Klappenkorrekturwinkel α_ji,korr , der zu dieser Bedingung führt, beträgt nur 75%. Damit wird dieser Klappenkorrekturwinkel α_ji,korr übernommen und dem Steuergerät SG als aktueller Klappenwinkel α_j zugeführt.
• Bezugszeichenliste

1

Klimagerät einer Fahrzeug-Klimaanlage

1.0

Gehäuse des Klimagerätes 1

1.1

Lufteintrittsöffnung des Klimagerätes 1

2

Verdampfer des Klimagerätes 1

3

Heizwärmetauscher des Klimagerätes 1

4

Luftpfad

4.0

Luftverteilungsklappe des Luftpfades 4

4.1

Luftkanal des Luftpfades 4

4.2

Ausströmer des Luftpfades 4

4.20

Ausströmklappe des Luftpfades 4

5

Luftpfad

5.0

Luftverteilungsklappe des Luftpfades 5

5.1

Luftkanal des Luftpfades 5

5.2

Ausströmer des Luftpfades 5

5.20

Ausströmklappe des Luftpfades 5

6

Luftpfad

6.0

Luftverteilungsklappe des Luftpfades 6

6.1

Luftkanal des Luftpfades 6

6.2

Ausströmer des Luftpfades 6

6.20

Ausströmklappe des Luftpfades 6

7

Luftpfad

7.0

Luftverteilungsklappe des Luftpfades 7

7.1

Luftkanal des Luftpfades 7

7.2

Ausströmer des Luftpfades 7

7.20

Ausströmklappe des Luftpfades 7

8

Luftpfad

8.0

Luftverteilungsklappe des Luftpfades 8

8.1

Luftkanal des Luftpfades 8

8.2

Ausströmer des Luftpfades 8

9

Luftpfad

9.0

Luftverteilungsklappe des Luftpfades 9

9.1

Luftkanal des Luftpfades 9

9.2

Ausströmer des Luftpfades 9

10

Luftpfad

10.0

Luftverteilungsklappe des Luftpfades 10

10.1

Luftkanal des Luftpfades 10

10.2

Ausströmer des Luftpfades 10

11

Luftpfad

11.0

Luftverteilungsklappe des Luftpfades 11

11.1

Luftkanal des Luftpfades 11

11.2

Ausströmer des Luftpfades 11

12

Luftpfad

12.0

Luftverteilungsklappe des Luftpfades 12

12.1

Luftkanal des Luftpfades 12

12.2

Ausströmer des Luftpfades 12

13

Gebläse des Klimagerätes 1

13.1

Verstellelement

14

Mischkammer des Klimagerätes 1

15

Luftfilter des Klimagerätes 1

16

Umluftkanal des Klimagerätes 1

α0

Initialwert eines Klappenwinkels

αj

Klappenwinkel

αji

Klappenwinkel

aj1,korr

Klappenkorrekturwinkel

αji,korr

Klappenkorrekturwinkel

L1

Frischluftstrom

L2

Umluftstrom

Mj

Mischungsbruch

M1

Modellberechnungseinheit

M2

Zustandsbeobachter

SG

Steuergerät

Sα

Schwelle

T1

Temperatursensor

T2

Temperatursensor

T3

Temperatursensor

Tj,Modell

Modellausblastemperatur

Tj,Mess

Ausblastemperatur

Tmin

Verdampferlufttemperatur

Tmax

Warmlufttemperatur

ΔTj

Temperaturdifferenzwert

V̇ges

Gesamtvolumenstrom

V̇j

Volumenstromanteil

Claims (2)

1. Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Klimaanlage mit einem Klimagerät (1) zur Luftführung eines demselben zugeführten Gesamtvolumenstroms (V̇_ges) und zur Aufnahme eines Verdampfers (2), eines Heizwärmetauschers (3) und von in eine Insassenkabine führenden Luftkanälen (4.1, ... 12.1) mit jeweils einer mittels eines elektrischen Antriebs verstellbaren Luftverteilungsklappe (4.0, ... 12.0) und wenigstens einer handbetätigbaren Ausströmklappe (4.20, ... 7.20), wobei auf der Basis eines mathematischen Modells des Klimagerätes (1) eine physikalische Größe des in wenigstens einem Luftkanal (4.1, ... 12.1) geführten Teilluftstromes berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) zur Bestimmung von Stellgrößen (y) zur Verstellung der Luftverteilungsklappen (4.0, ... 12.0) in Abhängigkeit eines Sollwertes (T_soll) eines Klimaparameters (T) und eines modellhaft bestimmten Klappenwinkels (α_j) der wenigstens einen handbetätigbaren Ausströmklappe eine Klimaregelung des Klimaparameters (T) durchgeführt wird, b) aus den Stellgrößen (y) zur Verstellung der Luftverteilungsklappen (4.0, ... 12.0), dem modellhaft bestimmten Klappenwinkel (α_j), einer Warmlufttemperatur (T_max) der von dem Heizwärmetauscher (3) erwärmten Luft und einer Verdampferlufttemperatur (T_min) auf der Basis des mathematischen Modells des Klimagerätes (1) eine Modellausblastemperatur (T_j,Modell) des über den Luftkanal (4.1, ... 12.1) mit der handbetätigbaren Ausströmklappe (4.20, ... 7.20) strömenden Teilluftstroms bestimmt wird, c) die berechnete Modellausblastemperatur (T_j,Modell) mit einer mittels eines in dem Luftkanal (4.1, ... 12.1) angeordneten Temperatursensors (T3) gemessenen Ausblastemperatur (T_j,Mess) verglichen und ein Temperaturdifferenzwert (ΔT_j) bestimmt wird, d) ein Klappenkorrekturwinkel (α_ji,korr) der Ausströmklappe (4.20, ... 7.20) in Abhängigkeit des Temperaturdifferenzwertes (ΔT_j) und der gemäß Verfahrensschritt a) bestimmten Stellgrößen (y) zur Verstellung der Luftverteilungsklappen (4.0, ... 12.0) auf der Basis des mathematischen Modells des Klimagerätes (1) bestimmt wird, und e) zur Ermittlung des modellhaft bestimmten Klappenwinkels (α_j) der Ausströmklappe (4.20, ... 7.20) mittels der Verfahrensschritten b) bis d) sukzessiv bestimmte Klappenkorrekturwinkel (α_ji,korr) ermittelt werden, bis ein Klappenkorrekturwinkel (α_ji,korr) zu einem Temperaturdifferenzwert (ΔT_j) führt, welcher kleiner als eine vorgegebene Schwelle (S_α) ist und welcher als modellhaft bestimmter Klappenwinkel (α_j) der Klimaregelung zur Durchführung des Verfahrensschrittes a) als Eingangsgröße zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt b durchgeführt wird, indem b1) aus den ermittelten Stellgrößen (y) zur Verstellung der Luftverteilungsklappen (4.0, ... 12.0), dem modellhaft bestimmten Klappenwinkel (α_j), einer Warmlufttemperatur (T_max) der von dem Heizwärmetauscher erwärmten Luft und einer Verdampferlufttemperatur (T_min) auf der Basis des mathematischen Modells des Klimagerätes (1) der über den Luftkanal (4.1, ... 7.1) mit der handbetätigbaren Ausströmklappe (4.20, ... 7.20) strömende Volumenstromanteil (V̇_j) als Teilluftstrom des Gesamtvolumenstroms (V̇_ges) berechnet wird, b2) mittels eines Mischungsbruch-Volumenstromanteil-Kennfeldes der Mischungsbruch (M_j) für den berechneten Volumenstromanteil (V̇_j) bestimmt wird, und b3) die Modellausblastemperatur (T_j,Modell) des in dem Luftkanal (4.1, ... 7.1) geführten Luftstromes aus dem gemäß Verfahrensschritt b2 bestimmten Mischungsbruch (M_j) mit folgender Formel berechnet wird: $$M_j=\frac{T_{j,Modell}-T_{min}}{T_{max}-T_{min}},$$

   

   wobei Tmax die Warmlufttemperatur der von dem Heizwärmetauscher (3) erwärmten Luft und Tmin die Verdampferlufttemperatur ist.

Images