DE102017200473A1

DE102017200473A1 - Verfahren zur Regelung einer Innenraumtemperatur in einem Innenraum eines Fahrzeugs und Temperiervorrichtung

Info

Publication number: DE102017200473A1
Application number: DE102017200473.8A
Authority: DE
Inventors: Jan-Christoph Albrecht; Bastian Osterloh; Sven Twenhövel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-07-12

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Regelung einer Innenraumtemperatur in einem Innenraum eines Fahrzeugs mittels einer Temperiervorrichtung vorgeschlagen, wobei die Temperiervorrichtung die Luft in Form von Umgebungsluft und/oder Innenraumluft ansaugt, die angesaugte Luft auf eine einstellbare Ausblastemperatur temperiert, und die die temperierte Luft dem Innenraum zuführt, wobei ein für die gewünschte Innenraumtemperatur bezüglich der Energieeffizienz optimaler Betriebspunkt der Temperiervorrichtung ermittelt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Ermittlung des optimalen Betriebspunktes
a. eine Außentemperatur
b. eine Innenraumtemperatur
c. eine Effizienz der Temperiervorrichtung in Abhängigkeit von der Ausblastemperatur
d. eine pro Zeiteinheit mit der Umgebung des Fahrzeugs ausgetauschte Luftmenge berücksichtigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Innenraumtemperatur in einem Innenraum eines Fahrzeugs mittels einer Temperiervorrichtung, die Luft in Form von Umgebungsluft und/oder Innenraumluft ansaugt, die angesaugte Luft auf eine einstellbare Ausblastemperatur temperiert, und die die temperierte Luft dem Innenraum zuführt, wobei ein für die gewünschte Innenraumtemperatur bezüglich der Energieeffizienz optimaler Betriebspunkt der Vorrichtung ermittelt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Temperiervorrichtung zum Temperieren von Luft in einem Innenraum eines Fahrzeugs.
Es ist seit langem bekannt, den Innenraum eines Fahrzeugs, insbesondere den Fahrgastraum, auf eine von einem Benutzer einstellbare Temperatur zu temperieren. Dies erfolgt üblicherweise über ein Gebläse, dass dem Innenraum des Fahrzeugs entsprechend temperierte Luft zuführt. Die zugeführte Luft kann dabei auf eine Temperatur unterhalb oder oberhalb der Temperatur der Luft im Innenraum des Fahrzeugs temperiert werden, je nachdem, ob der Innenraum gekühlt oder geheizt werden soll.
In den vergangenen Jahren hat der Energieverbrauch von Fahrzeugen, insbesondere von Automobilen mit Verbrennungsmotor oder von Elektromobilen, eine immer höhere Bedeutung erlangt. Mit Reduzierung des Verbrauchs der Antriebe als primäre Energieverbraucher hat dabei auch der Energiekonsum von sekundären Systemen wie beispielsweise der Temperiervorrichtung des Fahrzeug, also der Heizung und/oder der Klimaanlage, zunehmende Bedeutung erlangt, da der Anteil dieser so genannten Komfortverbraucher am gesamten Energieverbrauch bei abnehmendem Energiebedarf der Antriebssysteme zunimmt. Es werden daher schon länger Versuche unternommen, die Temperiervorrichtungen möglichst energieeffizient zu betreiben.
Eine einfache Ausgestaltung sieht dabei vor, die Außentemperatur mit der Temperatur im Innenraum des Fahrzeugs zu vergleichen und basierend auf dem Ergebnis ein Mischungsverhältnis der zu temperierenden Luft aus von außen angesaugter Außenluft und dem Innenraum entnommener Umluft einzustellen. Eine Weiterentwicklung dieser Methode, die unter dem Namen „Enthalpie-Regelung“ beispielsweise aus der EP 0 792 763 B1 bekannt ist, sieht weiterhin vor, auch die Luftfeuchtigkeit der Außenluft sowie der Innenraumluft zu berücksichtigen, um den gesamten Energiegehalt der jeweiligen Luft zu ermitteln und beim Einstellen des Umluftanteils zu berücksichtigen.
Neben der reinen Energieeffizienz sind bei der Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums diverse weitere Parameter zu beachten. Beispielsweise ist es wichtig, zu verhindern, dass sich an den Innenseiten der Scheiben, insbesondere der Front- bzw. Windschutzscheibe, Feuchtigkeitsniederschlag bildet. Hierfür besteht ein erhöhtes Risiko, wenn die Außentemperatur unter der gewünschten Innenraumtemperatur liegt und als Folge die Scheiben, die die Abgrenzung des Innenraums zum Außenraum bilden, ebenfalls eine relativ niedrige Temperatur aufweisen. Durch die Anwesenheit von Fahrgästen im Innenraum herrscht dort regelmäßig eine relativ hohe Luftfeuchtigkeit, so dass es vorkommen kann, dass die feuchte Innenraumluft in der Nähe der Scheiben soweit abgekühlt wird, dass Feuchtigkeit an der Scheibe kondensiert und die Sicht aus dem Fahrzeug heraus einschränkt.
Um einen solchen Feuchtigkeitsniederschlag zu verhindern ist es bekannt, entweder durch manuelles Eingreifen eines Benutzers oder automatisch Gegenmaßnahmen zu treffen, die insbesondere in einer erhöhten Geschwindigkeit der Luftzirkulation im Scheibenbereich bestehen können. Aus der EP 1 258 375 A1 ist es bekannt, in Abhängigkeit von der Scheibentemperatur und der Luftfeuchte im Innenraum des Fahrzeugs einen Wert für das Risiko von Feuchtigkeitsniederschlag im Innenraum, den sogenannten „Fog Factor“ zu ermitteln und bei der Dosierung der Gegenmaßnahmen zu berücksichtigen. Dies führt zum einen zu einem verminderten Energieverbrauch, da auch die Gegenmaßnahmen Energie benötigen und entsprechend Energie gespart werden kann, wenn vom System festgestellt wird, dass lediglich ein geringes Beschlagsrisiko besteht und somit relativ sanfte Maßnahmen ausreichen, um den Scheibenbeschlag zu verhindern. Darüber hinaus ergibt sich auf diese Weise ein Komfortgewinn für die Fahrzeuginsassen, da die Gegenmaßnahmen oft mit erhöhter Geräuschemission verbunden sind und sich diese durch einen weniger intensiven Einsatz der Gegenmaßnahmen senken lassen.
Da der Energieverbrauch weiterhin ein zentrales Thema in der Fahrzeugindustrie ist und dabei jegliches Optimierungspotential ausgeschöpft werden soll, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperierung des Innenraums eines Fahrzeugs anzugeben, die einen verringerten Energieverbrauch ermöglicht. Vorzugsweise soll dabei ebenfalls ein Scheibenbeschlag zuverlässig vermieden werden sowie ein hoher Grad an Komfort für die Fahrzeuginsassen sicher gestellt werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein gattungsgemäßes Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem zur Ermittlung des optimalen Betriebspunktes

a. eine Außentemperatur
b. eine Innenraumtemperatur
c. eine Effizienz der Temperiervorrichtung in Abhängigkeit von der Ausblastemperatur und
d. eine pro Zeiteinheit mit der Umgebung des Fahrzeugs ausgetauschte Luftmenge

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen des Innenraums verwendet werden. Die Temperiervorrichtung kann somit insbesondere eine Heizung, ein Kältekreislauf einer Klimaanlage oder allgemein ein Wärmetauscher sein. Unter dem „Temperieren“ von Luft wird somit die aktive Veränderung der Temperatur der Luft, also insbesondere ein Heizen oder ein Kühlen der Luft, verstanden.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Gedanken, dass eine bestimmte Wärmemenge, die dem Innenraum des Fahrzeugs zugeführt werden soll, sich auf unterschiedliche Luftvolumina verteilen lässt. Es kann also bei gleicher Endtemperatur des Innenraums viel Luft mit kleiner Temperaturdifferenz zur aktuellen Innenraumtemperatur in den Innenraum eingebracht werden, oder weniger Luft mit einer höheren Temperaturdifferenz. Nun ist die Effizienz der Temperiervorrichtung, beispielsweise einer Wärmepumpe, bei unterschiedlichen Temperaturen allerdings nicht konstant, sondern nimmt im Allgemeinen zu höheren Temperaturen hin ab. Dies bedeutet, dass die Energiemenge, die eingesetzt werden muss, um die dem Innenraum zugeführte Luft auf die gewünschte Temperatur, die auch als Ausblastemperatur bezeichnet werden kann, zu bringen, mit der gewünschten Ausblastemperatur überproportional ansteigt. In anderen Worten ist aus Effizienzgründen eine möglichst geringe Temperaturdifferenz zwischen Ausblastemperatur und aktueller Innenraumtemperatur wünschenswert.
Um nun aber den Innenraum innerhalb einer akzeptablen Zeit auf die gewünschte Temperatur zu bringen muss bei einer solchen kleinen Temperaturdifferenz ein großes temperiertes Luftvolumen pro Zeiteinheit in den Innenraum eingebracht werden. Da der Luftdruck im Innenraum ebenfalls konstant gehalten werden muss, verlässt ein entsprechendes Luftvolumen den Innenraum des Fahrzeugs und wird an die Umgebung abgegeben. Da der Einsatz der Temperiervorrichtung im Regelfall nur dann notwendig ist, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der gewünschten Innenraumtemperatur und der Außentemperatur vorliegt, wird nun temperierte Luft an die Umgebung abgegeben. Die für die Temperierung dieser Luft aufgewandte Energie geht somit ebenfalls verloren, was wiederum dafür spricht, nur eine kleine Luftmenge pro Zeiteinheit in den Innenraum einzubringen, dafür aber die Temperaturdifferenz zu erhöhen, was wiederum wie bereits erwähnt die Effizienz der Temperiervorrichtung negativ beeinflussen kann. Beide Einflüsse müssen also abgewogen und der effizienteste Kompromiss gefunden werden. Dies geschieht erfindungsgemäß, indem eben neben der Außen- und der Innentemperatur auch die Effizienz der Temperiervorrichtung in Abhängigkeit von der Ausblastemperatur sowie die pro Zeiteinheit mit der Umgebung des Fahrzeugs ausgetauschte Luftmenge bei der Ermittlung des optimalen Betriebspunktes berücksichtigt werden. Die mathematische Lösung der Aufgabe ist bei Kenntnis der zu den jeweiligen Betriebspunkten gehörenden Effizienzen eine einfache Extremwertaufgabe.
Die Effizienz der Temperiervorrichtung kann in geringerem Maße auch von dem Luftmassenstrom, also der pro Zeiteinheit mit der Umgebung des Fahrzeugs ausgetauschten Luftmenge, sowie von der Temperatur der angesaugten Luft abhängen. Um die Effizienz der Temperiervorrichtung möglichst genau zu bestimmen, können daher zusätzlich auch der Luftmassenstrom und/oder die Temperatur der angesaugten Luft berücksichtigt werden. Ein besonders einfacher Zusammenhang ergibt sich, wenn die Ausblastemperatur mit dem Luftmassenstrom so gekoppelt ist, dass sich eine konstante Heizleistung ergibt. Es kann dann die Ausblastemperatur als einzelner Parameter für die Bestimmung der Effizienz der Temperiervorrichtung herangezogen und dennoch eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Effizienz erreicht werden.
Als weiterer einstellbarer und/oder vorgebbarer Parameter kann der Anteil der Innenraumluft an der von der Temperiervorrichtung angesaugten Luft verwendet werden. Im Regelfall weist die Innenraumluft oder Umluft eine geringere Differenz zur gewünschten Temperatur aus als die Außenluft, so dass theoretisch ein reiner Umluftbetrieb am effizientesten wäre. Dem Umluftanteil sind allerdings zum einen durch Komfortansprüche der Benutzer Grenzen gesetzt, zum anderen muss vermieden werden, dass die Scheiben des Fahrzeugs von innen beschlagen, also ein Feuchtigkeitsniederschlag stattfindet. Dies lässt sich entweder durch ein wiederum energieaufwendiges Entfeuchten der Umluft oder durch das Ansaugen von Außenluft erreichen. Die Außenluft kann auch als Frischluft bezeichnet werden und ist regelmäßig trockener als die aufgrund der Anwesenheit von Fahrzeuginsassen relativ feuchte Innenraumluft. Im Regelfall sind dem Umluftanteil auch durch die maximale von der Vorrichtung erreichbare Entfeuchtungsleistung Grenzen gesetzt. Es ist dabei regelmäßig notwendig, einen gewissen Mindestanteil, beispielsweise 10% oder 20%, an Außenluft anzusaugen.
Es ist daher von Vorteil, wenn zur Ermittlung des optimalen Betriebspunktes zusätzlich ein Feuchtegehalt der Innenraumluft sowie ein Feuchtegehalt der Umgebungsluft berücksichtigt werden. Es steht somit zum einen ein weiterer Parameter zur Abschätzung der in einem Luftvolumen enthaltenen Energie bzw. des notwendigen Energieaufwands, um ein bestimmtes Luftvolumen auf eine gewünschte Temperatur zu bringen, zur Verfügung. Zum anderen kann auf diese Weise das Verhältnis zwischen Frischluft und Umluft so eingestellt werden, dass in Kombination mit einer möglichen zusätzlichen Entfeuchtung der Umluft ein Feuchtigkeitsniederschlag an den Scheiben, insbesondere an der Frontscheibe des Fahrzeuges, sicher vermieden wird.
Hierzu können auch aus der Temperatur der Innenraumluft und dem Feuchtegehalt der Innenraumluft eine Taupunkttemperatur der Innenraumluft bestimmt und diese Taupunkttemperatur mit der Innenraumtemperatur im Bereich der Frontscheibe verglichen werden. Anstatt der Innenraumtemperatur im Bereich der Frontscheibe kann auch direkt die Temperatur der Frontscheibe verwendet werden. Die Differenz zwischen der Taupunkttemperatur und der Innenraumtemperatur im Bereich der Frontscheibe kann dann als Maß für Gefahr eines Feuchtigkeitsniederschlags an der Frontscheibe verwendet werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Feuchte der Innenraumluft im Bereich der Frontscheibe ermittelt. Auf diese Weise lassen sich besonders genaue Daten zur Einschätzung des Risikos für einen Feuchtigkeitsniederschlag an der Frontschreibe erhalten.
Wenn eine Differenz zwischen der Taupunkttemperatur und der Innenraumtemperatur im Bereich der Frontscheibe unterhalb eines Schwellenwerts liegt, können Maßnahmen ergriffen werden, um entweder eine Erhöhung der Lufttemperatur an der Scheibe zu erreichen, oder die Feuchte der Luft an der Scheibe zu senken. Der Schwellenwert kann beispielsweise 5 Kelvin betragen. Mit einer Erhöhung der Scheibentemperatur kann der Taupunkt der Luft an der Scheibe zu einer höheren Luftfeuchtigkeit hin verschoben werden. Eine höhere Scheibentemperatur kann durch eine höhere Austrittstemperatur der Luft aus der Heizung, also aus der Temperiervorrichtung, erreicht werden. Bei konstanter Heizleistung resultiert dies in einer geringeren Effizienz des Kältekreises. Alternativ kann die Scheibentemperatur ebenfalls durch eine elektrische Scheibenheizung erhöht werden, was ebenfalls in einer erhöhten Energieaufnahme resultiert.
Zur Senkung der Feuchte der Luft an der Scheibe kann durch Zufuhr von trockener Luft an die Scheibe verhindert werden, dass die Lufttemperatur an der Scheibe die lokale Taupunkttemperatur unterschreitet. Ein trockener Luftstrom kann durch einen verringerten Umluftanteil und damit durch eine erhöhte Frischluftmenge bereitgestellt werden, da somit mehr trockene Luft zugeführt und gleichzeitig mehr feuchte Luft abgeführt wird. Bei konstanter Heizleistung in den Innenraum geht eine Erhöhung der Frischluftmenge mit einem erhöhten Energiebedarf der Heizung einher, da mehr Luft von Umgebungstemperatur auf die Innenraumtemperatur erwärmt werden muss. Alternativ kann der Luftstrom unter Aufwendung von Energie durch den Kältekreis entfeuchtet werden. Neben der Zufuhr von trockener Luft an die Scheibe. kann ein erhöhter Luftstrom entlang der Scheibe geführt werden, um einen Scheibenbeschlag zu verhindern. Ein hoher Luftstrom an der Scheibe verhindert, dass die Feuchtigkeit der Luft aus dem Innenraum die Scheibe erreicht. Ein erhöhter Luftstrom hat erneut eine erhöhte Energieaufnahme der Heizung zur Folge.
Die genannten Möglichkeiten, den Scheibenbeschlag im Fahrzeug zu verhindern, beeinflussen die Ausblastemperatur, die temperierte Luftmenge und die Eintrittsbedingungen der Luft in die Temperiervorrichtung des Fahrzeuges und somit deren Effizienz. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, wenn festgestellt wird, dass die Differenz zwischen der Taupunkttemperatur und der Innenraumtemperatur im Bereich der Frontscheibe unterhalb eines Schwellenwerts liegt, entweder

a. die Frontscheibentemperatur zu erhöhen,
b. den Frischluftanteil in der temperierten Luft zu erhöhen,
c. die temperierte Luft zu trocknen oder
d. die pro Zeiteinheit entlang der Frontscheibe strömende Luftmenge zu erhöhen,

Eine alternative Möglichkeit zur Verhinderung des Beschlagens der Scheiben besteht darin, aus der Taupunkttemperatur die aktuell zum Verhindern des Beschlagens der Scheiben notwendige Entfeuchtungsleistung zu ermitteln und aus dieser wiederum einen Maximalwert für den derzeit möglichen Anteil von Umluft an der zu temperierenden Luft zu ermitteln. Hieraus kann dann ein optimaler Betriebspunkt mit dem maximal möglichen Umluftanteil berechnet werden.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bei einer Änderung des optimalen Betriebspunkts die pro Zeiteinheit in den Innenraum eingeblasene Luftmenge kontinuierlich über einen Zeitraum von zumindest einigen Sekunden an den neuen Betriebspunkt angepasst wird. Hierdurch kann ein Komfortgewinn für den oder die Benutzer erzielt werden, da die Temperierungsvorrichtung nicht durch eine sprunghafte Änderung des Betriebspunktes, insbesondere also der eingeblasenen Luftmenge, auf sich aufmerksam macht.
Um eine genauere Ermittlung der Effizienz der Temperiervorrichtung zu ermöglichen, kann zumindest ein weiterer Parameter zur Ermittlung der Effizienz der Temperiervorrichtung herangezogen werden, und zwar insbesondere entweder die Temperatur der Außenluft, die Fahrgeschwindigkeit, die Temperatur einer anderer Wärmequelle wie z.B. einer Batterie, die Heizleistung oder die dem Innenraum zugeführte Luftmenge. Es ist ebenfalls möglich, eine beliebige Kombination der genannten Parameter zur Ermittlung der Effizienz zu berücksichtigen.
Vorteilhafterweise kann die jeweilige Effizienz der Temperiervorrichtung für verschiedene Ausblastemperaturen einem in einem Speicher der Vorrichtung hinterlegten Kennfeld entnommen werden. Die Effizienz der Temperiervorrichtung lässt sich theoretisch nur schwierig bestimmen, so dass es vorteilhaft ist, die Effizienz im Vorhinein experimentell zu bestimmen und als Kennlinie oder in einem Kennfeld abzuspeichern.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur Bestimmung der aktuellen Effizienz der Temperiervorrichtung nicht nur die Ausblastemperatur, sondern auch die Temperatur der angesaugten Luft herangezogen wird.
Ebenfalls aus Komfortgründen ist mit Vorteil vorgesehen, dass eine maximale Luftmenge, die dem Innenraum pro Zeiteinheit zugeführt werden darf, voreingestellt und/oder von einem Nutzer einstellbar ist. Es wird so eine akustische Belästigung der Fahrzeuginsassen vermieden. Ebenso kommt es zu keinen störenden starken Luftströmungen im Innenraum.
Es ist möglich, dass vor dem Bestimmen des optimalen Betriebspunktes ein verfügbarer Bereich von pro Zeiteinheit mit der Umgebung des Fahrzeugs ausgetauschter Luftmenge bestimmt wird. Es wird so von vornherein ausgeschlossen, dass ein praktisch nicht realisierbarer Betriebspunkt als optimaler Betriebspunkt ermittelt wird. Grenzen des erreichbaren Bereichs des Betriebspunktes sind zum einen die technischen Möglichkeiten der Anlage, insbesondere der Temperiervorrichtung und des Gebläses, andererseits auch Randbedingungen, bei deren Überschreiten für die Fahrzeuginsassen unzumutbare Komforteinbußen die Folge wären.
Es ist weiterhin möglich, das Verfahren derart zu erweitern, dass weitere Parameter wie die aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die aktuelle Notwendigkeit einer Batteriekühlung und/oder die aktuelle Temperatur der Wärmequelle, beispielsweise also des Motors oder des Elektromotors des Fahrzeugs, bei der Ermittlung des optimalen Betriebspunktes einbezogen werden.
Eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung zum Temperieren von Luft in einem Innenraum eines Fahrzeugs umfasst einen Speicher, in dem Daten zur Effizienz der Betriebsvorrichtung bei unterschiedlichen Betriebspunkten gespeichert sind. Auf diese Weise muss keine aufwendige und möglicherweise ungenaue theoretische Herleitung der jeweiligen Effizienz durchgeführt werden, sondern die verschiedenen Betriebspunkte können einmalig experimentell bestimmt und dann in jeder gefertigten Temperiervorrichtung abgespeichert werden.
In dem Speicher kann eine Kennlinie oder ein Kennfeld für die Effizienz der Temperiervorrichtung in Abhängigkeit von der Ausblastemperatur gespeichert sein. Dies ist eine simple und einfach abzufragende Zuordnung. Weitere Parameter, für die die Effizienz der Temperiervorrichtung abgespeichert sein kann, sind beispielsweise die Temperatur der Außenluft, die Fahrgeschwindigkeit, die Temperatur anderer Wärmequellen wie z.B. der Batterie, die Heizleistung oder die dem Innenraum zugeführte Luftmenge, so dass sich ein mehrdimensionales Kennfeld ergeben kann.
In einer alternativen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt durchgeführt werden:

1. Ermittlung der verfügbaren Spreizung der zu temperierenden Luftmenge für den aktuellen Betriebsfall auf Basis der bestehenden Luftmenge, des akustischen Komforts sowie der maximalen Schwankungsbreite der zu bewegenden Luftmenge welche aus Gründen des Komforts möglich ist.
2. Übernahme der gewünschten Heiz- oder Kühlleistung von der Klimatisierungsautomatik
3. Berechnung der Effizienz der Wärmepumpe aus den gegebenen Randbedingungen (z.B. Temperaturen der Wärmequelle, Fahrgeschwindigkeit, Notwendigkeit zur Batteriekühlung) für die möglichen Ausblastemperaturen oder Abfrage es gespeicherten Kennfeldes.
4. Bestimmung der Luftmenge und Ausblastemperatur bei dem der Kältekreis seine höchste Effizienz erreicht.
5. Bestimmen der Differenz aus Taupunkt der Luft an der Scheibe sowie der Taupunkt der Luft im Innenraum, insbesondere in Scheibennähe aus der Scheibentemperatur und der Luftfeuchte im Innenraum und im Innenraum aus der Temperatur und Luftfeuchte im Innenraum.
6. a) Bei ausreichendem Taupunktabstand wird die zuvor berechnete Luftmenge und Ausblastemperatur eingeregelt. Hierbei ist zu beachten, dass eine Veränderung der Luftmenge nur allmählich erfolgen sollte. Stark schwankende Luftmengen werden als unangenehm wahrgenommen. Vorteilhaft ist insofern eine Abschätzung des zukünftigen Fahrzeugzustandes, beispielsweise durch Technologien wie Big Data oder künstliche Intelligenz, und somit eine Einstellung eines durchschnittlich minimalen Energieeinsatzes. b) Bei zu geringem Taupunktabstand werden die weiter oben zu diesem Zweck bereits genannten Maßnahmen bewertet um einen ausreichenden Taupunktabstand herbeizuführen.

Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein um einige weitere Schritte erweitertes Diagramm der 1,
3 eine erste Erweiterung des in 1 dargestellten Verfahrens,
4 eine zweite Erweiterung des in 1 dargestellten Verfahrens,
5 eine dritte Erweiterung des in 1 dargestellten Verfahrens,
6 ein ausführliches Schema einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
7 eine schematische Zeichnung eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung.

1 zeigt ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zunächst wird bei Schritt 101 die Außentemperatur ermittelt. Gleichzeitig oder mit kurzem zeitlichen Abstand wird bei Schritt 102 die Innentraumtemperatur ermittelt. Bei Schritt 103 wird ebenfalls gleichzeitig oder mit kurzem zeitlichen Abstand die Effizienz der Temperiervorrichtung in Abhängigkeit von verschiedenen Ausblastemperaturen ermittelt oder bereitgestellt. Die Schritte 101, 102 und 103 können gleichzeitig oder in einer beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden. Wichtig ist dabei nur, dass die Schritte derart in zeitlicher Nähe zueinander ausgeführt werden, dass sich die Rahmenbedingungen während der Ausührung der einzelnen Schritte 101, 102 und 103 nicht wesentlich ändern. In anderen Worten sollen die Schritte 101, 102 und 103 so zeitnah zueinander ausgeführt werden, dass die Ergebnisse in der Praxis als gleichzeitig ermittelt betrachtet werden können.
Die Ergebnisse der Schritte 101, 102 und 103, also die Außentemperatur, die Innenraumtemperatur sowie die verschiedenen Effizienzen der Temperiervorrichtug für die verschiedenen Ausblastemperaturen werden dann bei Schritt 120 verwendet, um den optimalen Betriebspunkt der Temperiervorrichtung zu ermitteln. Schritt 103 kann dabei derart ausgeführt werden, dass die jeweiligen Effizienzen für Ausblastemperaturen im Abstand von beispielsweise 10 K, 5 K, 2 K oder 1 K ermittelt oder abgefragt werden. Alternativ kann das Ergebnis des Schrittes 103 in Form einer stetigen Funktion geliefert werden, die dann als eine Eingangsgröße einer Extremwertberechnung bei Schritt 120 verwendet wird. Insbesondere kann das Ermitteln der jeweiligen Effizienz in einer Abfrage eines in einem Speicher hinterlegten Kennfeldes bestehen.
Bei Schritt 130 wird sodann Luft angesaugt. Bei der angesaugten Luft kann es sich um Luft aus dem Innenraum des Fahrzeugs, sogenannte Umluft, und/oder um Luft von außerhalb des Fahrzeugs, sogenannte Frischluft, handeln. Das Verhältnis zwischen Umluft und Frischluft der Luft, die angesaugt, temperiert und dem Innenraum des Fahrzeuges zugeführt wird, kann ebenfalls ein Parameter zur Optimierung des Betriebspunktes des Temperiervorrichtung sein.
Bei Schritt 140 wird die Luft nun entsprechend dem ermittelten optimalen Betriebspunkt temperiert und bei Schritt 150 mit der ermittelten optimalen Ausblastemperatur und der ermittelten optimalen Ausblasgeschwindigkeit dem Fahrzeuginnenraum zugeführt.
2 zeigt das Verfahren gemäß 1, das um die Schritte 104 und 105 erweitert wurde. Dabei wird bei Schritt 104 die Feuchte im Fahrzeuginnenraum ermittelt und bei Schritt 105 die Feuchte außerhalb des Fahrzeuges ermittelt. Beide ermittelten Werte werden analog zu den in den Schritten 101, 102 und 103 ermittelten Werten bei der Ermittlung des optimalen Betriebspunktes der Temperiervorrichtung verwendet. Die Ermittlung der Feuchte der Luft im Innenraum kann vorzugsweise im Bereich der Frontscheibe vorgenommen werden, da hier gleichzeitig Informationen über das möglicherweise bestehende Risiko eines Feuchtigkeitsniederschlags an der Frontscheibe gewonnen werden können.
In 3 ist eine Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 1 gezeigt. Die gezeigte Erweiterung kann alternativ zu der in 2 gezeigten Erweiterung oder gemeinsam mit dieser eingesetzt werden. In dem bekannten Schritt 104 wird dabei die Feuchte der Innenraumluft ermittelt. In Schritt 106 wird gleichzeitig oder wiederum mit geringem zeitlichen Versatz die Innenraumtemperatur im Bereich der Frontscheibe ermittelt. Bei Schritt 107 wird nun anhand der Feuchte der Innenraumluft eine Taupunkttemperatur ermittelt, die bei Schritt 200 mit der Innenraumtemperatur im Bereich der Frontscheibe verglichen wird. Das Vergleichen kann dabei beispielsweise in der Bildung der Differenz der beiden Temperaturen bestehen.
Bei Schritt 210 wird entschieden, ob Maßnahmen notwendig sind, um einen Feuchtigkeitsniederschlag an der Frontscheibe zu verhindern. Ein Kriterium dafür kann sein, dass die Differenz zwischen der Taupunkttemperatur und der Innenraumtemperatur im Bereich der Frontscheibe unterhalb eines festgelegten Grenzwertes liegt. Der Grenzwert für die Temperaturdifferenz kann dabei wiederum temperaturabhängig sein. In diesem Fall kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass bei einer höheren Innenraumtemperatur auch der einzuhaltende Abstand zur Taupunkttemperatur größer sein muss, als bei einer niedrigeren Innenraumtemperatur.
Bei Schritt 220 wird dann ermittelt, welche der zur Verfügung stehenden Maßnahmen zur Verhinderung eines Scheibenbeschlags energetisch am günstigsten ist. Abhängig von dem Ergebnis wird dann entweder bei Schritt 221 die Temperatur der Frontscheibe erhöht, bei Schritt 222 der Frischluftanteil in der temperierten Luft erhöht, bei Schritt 223 die temperierte Luft getrocknet oder bei Schritt 224 die pro Zeiteinheit entlang der Frontscheibe strömende Luftmenge erhöht. Eine beliebige Kombination der Maßnahmen der Schritte 221, 222, 223 und 224 ist ebenfalls möglich. Optional wird die Maßnahme in Form eines der Schritte 221, 222, 223 und 224 bei Schritt 225 in Form eines Offsets auf die bei Schritt 120 bestimmten Regelparameter wie Ausblastemperatur und Ausblasgeschwindigkeit umgesetzt.
4 zeigt eine weitere mögliche Erweiterung des in 1 dargestellten Verfahrens. Der Übersichtlichkeit halber sind nur ausgewählte Schritte des Verfahrens dargestellt. Alle in den 1, 2 der 3 dargestellten Verfahrensschritte werden dadurch aber nicht ausgeschlossen und sind teilweise zur Ausführung des Verfahrens notwendig. Wiederum wird in Schritt 120 der optimale Betriebspunkt der Temperiervorrichtung ermittelt. Zusätzlich oder alternativ zu den hier nicht dargestellten Schritten 101 bis 107 kann aber nun in Schritt 111 die Heizleistung der Temperiervorrichtung bzw. der Klimaautomatik berücksichtigt werden, bei Schritt 112 kann eine möglicherweise vorliegende Anforderung der Batteriekühlung berücksichtigt werden, bei Schritt 113 kann die Temperatur der Wärmequelle einfließen, und bei Schritt 114 kann die aktuelle Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs als Eingangswert zur Ermittlung des optimalen Betriebspunktes bei Schritt 120 berücksichtigt werden.
5 zeigt eine weitere mögliche Erweiterung des Verfahrens. Wiederum ist nur ein Ausschnitt des gesamten Verfahrens dargestellt. Bei Schritt 116 wird dabei ermittelt, wie schnell die ausgeblasene Luftmenge variiert werden kann, ohne Komforteinbußen für den der die Benutzer befürchten zu müssen, bei Schritt 117 wird die aktuelle Einstellung für die pro Zeiteinheit dem Innenraum zugeführte temperierte Luftmenge, mit anderen Worten also die Ausblasgeschwindigket, abgefragt, und bei Schritt 118 wird das aktuelle von dem Gebläse verursachte Geräuschniveau ermittelt. Die so ermittelten Parameter werden wiederum bei Schritt 120 zur Ermittlung des optimalen Betriebspunktes verwendet. Hierzu wird zunächst bei Schritt 119 noch die verfügbare Luftmengenspreizung ermittelt, also die maximal und minimal möglichen Ausblasgeschwindigkeiten. Die Schritte 111 bis 119 sind jeweils unabhängig voneinander und können einzeln oder in beliebigen Kombinationen in das erfindungsgemäße Verfahren integriert werden.
6 zeigt ein ausführliches Schema einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden an dieser Stelle nicht alle Verfahrensschritte noch einmal erläutert, sondern nur solche Verfahrensschritte, die nicht bereits zuvor erwähnt wurden. Gleiche Verfahrensschritte wie in den 1 bis 5 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 6 ist ein mögliches Verfahren zur Vermeidung von Feuchtigkeitsniederschlag an der Frontscheibe detailliert dargestellt. In Schritt 210 wird festgestellt, ob der Abstand zwischen der Taupunkttemperatur und der Innenraumtemperatur ausreichend ist. Ist dies der Fall, so wird das Verfahren bei Schritt 210a fortgeführt. Ist der Abstand zu gering, so wird das Verfahren bei Schritt 210b fortgeführt. Bei zu geringem Abstand wird bei Schritt 231 eine Kennlinie abgefragt, um bei Schritt 232 zu ermitteln, welche Ausblastemperatur zur Erhöhung der Taupunkttemperatur im Bereich der Scheibe notwendig ist. Bei Schritt 233 wird wiederum eine Kennlinie abgefragt, die die Effizienz des Vorgangs für die ermittelte Ausblastemperatur liefert. Als Ergebnis wird bei Schritt 234 die zur Vermeidung von Feuchtigkeitsniederschlag an der Frontscheibe durch eine Erhöhung der Scheibentemperatur benötigte Leistung ermittelt.
Als zweite Alternative wird bei Schritt 235 berechnet, welche Frischluftmenge eine Vermeidung von Feuchtigkeitsniederschlag an der Frontscheibe bewirken kann. Bei Schritt 236 wird wiederum eine Kennlinie abgefragt, die die Effizienz des Vorgangs für die ermittelte Frischluftmenge liefert. Als Ergebnis wird bei Schritt 237 die zur Vermeidung von Feuchtigkeitsniederschlag an der Frontscheibe durch Frischluftzufuhr benötigte Leistung ermittelt.
Als dritte Alternative wird bei Schritt 238 berechnet, welche Menge getrockneter Luft eine Vermeidung von Feuchtigkeitsniederschlag an der Frontscheibe bewirken kann. Bei Schritt 239 wird wiederum eine Kennlinie abgefragt, die die Effizienz des Vorgangs für die ermittelte Trockenluftmenge liefert. Als Ergebnis wird bei Schritt 240 die zur Vermeidung von Feuchtigkeitsniederschlag an der Frontscheibe durch Zufuhr getrockneter Luft benötigte Leistung ermittelt.
Als vierte Alternative wird bei Schritt 241 eine Kennlinie abgefragt, um bei Schritt 242 zu ermitteln, welche Menge an Luft, die zugeführt wird, zur Erhöhung der Taupunkttemperatur im Bereich der Scheibe notwendig ist. Bei Schritt 243 wird wiederum eine Kennlinie abgefragt, die die Effizienz des Vorgangs für die ermittelte Ausblastemperatur liefert. Als Ergebnis wird bei Schritt 244 die zur Vermeidung von Feuchtigkeitsniederschlag an der Frontscheibe durch eine Erhöhung der zugeführten Luftmenge, also eine Erhöhung der Lüftergeschwindigkeit benötigte Leistung ermittelt.
Bei Schritt 250 wird sodann die energetisch günstigste Maßnahme ausgewählt und bei Schritt 260 eine Modifikation des bei Schritt 120 ermittelten Betriebspunktes berechnet. Dies kann in Form eines Offsets auf die Luftmenge und die Ausblastemperatur realisiert werden. Bei Schritt 270 werden die entsprechende Ausblastemperatur und Luftmenge eingeregelt.
7 zeigt schematisch ein Fahrzeug 10 mit einem Innenraum 12 und einer Frontscheibe 14. In dem Fahrzeug befindet sich eine Temperiervorrichtung 20, die zumindest mit einer Außenansaugöffnung 22, einer Innenansaugöffnung 24 und einer Ausblasöffnung 26 verbunden ist. Weiterhin ist die Temperiervorrichtung 20 mit einer Steuervorrichtung 30 verbunden. Diese erhält Messdaten von einem ersten Temperatursensor 32, der die Innenraumtemperatur misst, von einem zweiten Temperatursensor 34, der die Außentemperatur misst, und optional von einem dritten Temperatursensor 36, der die Innenraumtemperatur im Bereich der Frontscheibe 14 misst. Darüber hinaus erhält die Steuervorrichtung 30 Messdaten von einem ersten Feuchtigkeitssensor 38, der die Feuchtigkeit der Luft im Innenraum 12 misst, und von einem zweiten Feuchtigkeitssensor 40, der die Feuchtigkeit der Luft außerhalb des Fahrzeugs 10 misst. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuereinheit 30 einen Speicher 42 aufweisen, in dem in einem Kennfeld die jeweilige Effizienz der Temperiervorrichtung 20 für verschiedene Ausblastemperaturen hinterlegt ist und von der Steuervorrichtung abgefragt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeug
12: Innenraum
14: Frontscheibe
20: Temperiervorrichtung
22: Außenansaugöffnung
24: Innenansaugöffnung
26: Ausblasöffnung
30: Steuervorrichtung
32: erster Temperatursensor
34: zweiter Temperatursensor
36: dritter Temperatursensor
38: erster Feuchtigkeitssensor
40: zweiter Feuchtigkeitssensor
42: Speicher
101: Ermitteln der Außentemperatur
102: Ermitteln der Innenraumtemperatur
103: Ermitteln/Bereitstellen der Effizienz der Temperiervorrichtung
104: Ermitteln der Feuchte im Fahrzeuginnenraum
105: Ermitteln der Feuchte außerhalb des Fahrzeugs
106: Ermitteln der Innenraumtemperatur im Bereich der Frontscheibe
107: Ermitteln der Taupunkttemperatur
111: Ermitteln der Heizleistung der Temperiervorrichtung
112: Ermitteln der Batteriekühlungsanforderung
113: Ermitteln der Temperatur der Wärmequelle
114: Abfragen der aktuellen Fahrgeschwindigkeit
116: Ermitteln der maximalen Luftmengenvariation
117: Ermitteln der aktuellen Luftmenge
118: Ermitteln des aktuellen Gebläsegeräuschniveaus
119: Ermitteln der verfügbaren Luftmengenspreizung
120: Ermitteln des optimalen Betriebspunktes
130: Ansaugen von Luft
140: Temperieren der angesaugten Luft
150: Ausblasen der temperierten Luft
200: Vergleichen von Taupunkttemperatur und Innenraumtemperatur
210: Entscheiden, ob Maßnahmen zur Vermeidung von Scheibenbeschlag notwendig sind
210a: Fortführen bei zu geringem Taupunktabstand
210b: Fortführen bei ausreichendem Taupunktabstand
220: Ermitteln der energetisch günstigsten Maßnahme
221: Erhöhen der Temperatur der Frontscheibe
222: Erhöhen des Frischluftanteils
223: Trocknen der temperierten Luft
224: Erhöhung der entlang der Frontscheibe strömenden Luftmenge
231: Abfragen einer Kennlinie
232: Ermitteln der benötigten Ausblastemperatur
233: Abfragen einer Kennlinie
234: Ermitteln der benötigten Leistung
235: Ermitteln der benötigten Frischluftmenge
236: Abfragen einer Kennlinie
237: Ermitteln der benötigten Leistung
238: Ermitteln der benötigten Menge getrockneter Luft
239: Abfragen einer Kennlinie
240: Ermitteln der benötigten Leistung
241: Abfragen einer Kennlinie
242: Ermitteln der benötigten Luftmenge
243: Abfragen einer Kennlinie
244: Ermitteln der benötigten Leistung
250: Auswählen der energetisch günstigsten Maßnahme
260: Berechnen eines modifizierten Betriebspunktes
270: Einregeln von Ausblastemperatur und Luftmenge

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

EP 0792763 B1 [0004]
EP 1258375 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Regelung einer Innenraumtemperatur in einem Innenraum (12) eines Fahrzeugs (10) mittels einer Temperiervorrichtung (20), die Luft in Form von Umgebungsluft und/oder Innenraumluft ansaugt, die angesaugte Luft auf eine einstellbare Ausblastemperatur temperiert, und die die temperierte Luft dem Innenraum (12) zuführt, wobei ein für die gewünschte Innenraumtemperatur bezüglich der Energieeffizienz optimaler Betriebspunkt der Temperiervorrichtung (20) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des optimalen Betriebspunktes a. eine Außentemperatur b. eine Innenraumtemperatur c. eine Effizienz der Temperiervorrichtung (20) in Abhängigkeit von der Ausblastemperatur d. eine pro Zeiteinheit mit der Umgebung des Fahrzeugs (10) ausgetauschte Luftmenge berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des optimalen Betriebspunktes zusätzlich ein Feuchtegehalt der Innenraumluft sowie ein Feuchtegehalt der Umgebungsluft berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Temperatur der Innenraumluft und einem Feuchtegehalt der Innenraumluft eine Taupunkttemperatur der Innenraumluft bestimmt wird und diese Taupunkttemperatur mit einer Innenraumtemperatur im Bereich einer Frontscheibe (14) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine Differenz zwischen der Taupunkttemperatur und der Innenraumtemperatur im Bereich der Frontscheibe (14) unterhalb eines Schwellenwerts liegt, Maßnahmen ergriffen werden, um entweder a. eine Frontscheibentemperatur zu erhöhen, b. einen Frischluftanteil in der temperierten Luft zu erhöhen, c. die temperierte Luft zu trocknen oder d. eine pro Zeiteinheit entlang der Frontscheibe (14) strömende Luftmenge zu erhöhen, und wobei aus den Möglichkeiten a bis d diejenige ausgewählt wird, die einen Feuchtigkeitsniederschlag an der Frontscheibe (14) mit dem geringsten Energieaufwand verhindert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dasszumindest ein weiterer Parameter zur Ermittlung der Effizienz der Temperiervorrichtung (20) herangezogen wird, und zwar entweder eine Temperatur der Außenluft, eine Fahrgeschwindigkeit, eine Temperatur einer anderer Wärmequelle, eine Heizleistung oder eine dem Innenraum (12) zugeführte Luftmenge .
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Effizienz der Temperiervorrichtung (20) für verschiedene Ausblastemperaturen einem in einem Speicher (42) der Temperiervorrichtung (20) hinterlegten Kennfeld entnommen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Luftmenge, die dem Innenraum (12) pro Zeiteinheit zugeführt werden darf, voreingestellt und/oder von einem Nutzer einstellbar ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bestimmen des optimalen Betriebspunktes ein verfügbarer Bereich von pro Zeiteinheit mit der Umgebung des Fahrzeugs (10) ausgetauschter Luftmenge bestimmt wird.
Temperiervorrichtung (20) zum Temperieren von Luft in einem Innenraum (12) eines Fahrzeugs (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (20) einen Speicher (42) umfasst, in dem Daten zur Effizienz der Temperiervorrichtung (20) bei unterschiedlichen Betriebspunkten gespeichert sind.
Temperiervorrichtung (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speicher (42) eine Kennlinie oder ein Kennfeld für die Effizienz der Temperiervorrichtung (20) in Abhängigkeit von einer Ausblastemperatur oder in Abhängigkeit von der Ausblastemperatur und zumindest einem weiteren Parameter, nämlich einer Temperatur der Außenluft, einer Fahrgeschwindigkeit, einer Temperatur einer anderen Wärmequelle, einer Heizleistung oder einer dem Innenraum (12) zugeführten Luftmenge, gespeichert ist.