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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung einer Startmodelltemperatur sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Viele Prozesse laufen in einem bestimmten Temperaturbereich besonders effizient ab, so dass es häufig erwünscht ist, eine Prozesstemperatur gezielt zu steuern. Ist ein Prozess exotherm, kann es notwendig sein, den Prozess mit Hilfe eines Kühlkreislaufs zu kühlen.
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Bei der Steuerung eines solchen Kühlkreislaufes ist es grundsätzlich sinnvoll, ein möglichst schnelles Erreichen einer Betriebstemperatur des zu kühlenden Prozesses zu erleichtern. Dazu kann es insbesondere vorgesehen sein, ein Kühlmittel zunächst an einem Kühler des Kühlkreislaufes vorbei zu leiten, bis der Prozess nahe an der Betriebstemperatur angelangt ist. Erst wenn dies erreicht ist, kann vorgesehen sein, dass der Kühler von dem Kühlmittel durchlaufen wird, um ein weiteres Aufheizen des Prozesses zu unterbinden.
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Da häufig die Leistung eines Kühlers bekannt ist, genügt es in der Regel, einen Temperatursensor am Kühlereingang vorzusehen, um die Temperatur des Kühlmittels im gesamten Kühlkreislauf abschätzen zu können.
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Allerdings ergibt sich beim Anfahren des Prozesses das Problem, dass die Entwicklung der Temperatur geschätzt werden muss, um sicherzustellen, dass sich der Prozess nicht überhitzt bzw. zu stark gekühlt wird. Dazu kann beispielsweise der Zeitpunkt des Abschaltens des Prozesses am Ende des vorhergehenden Betriebs gespeichert werden. Beim Neustart kann aus der aktuellen Temperatur der Umgebung sowie der Zeit, die seit dem Abschalten des Prozesses verstrichen ist, die aktuelle Temperatur geschätzt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Berechnung einer Startmodelltemperatur sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Erfindungsgemäß wird während einer ersten Betriebsphase eine Temperatur an einer ersten Stelle eines einer Temperaturdynamik unterworfenen Prozesses mittels eines Temperatursensors erfasst. Aus der gemessenen Temperatur wird, insbesondere unter Berücksichtigung von Prozessparametern und die Temperaturdynamik des Prozesses beeinflussenden Konstanten, eine Modelltemperatur berechnet. Die Modelltemperatur bezieht sich dabei insbesondere auf eine zweite Stelle in dem Prozess, die zumindest mittelbar mit der ersten Stelle in thermischem Kontakt steht. Am Ende des Betriebs des Prozesses werden die Temperatur, die der Temperatursensor erfasst, als Endmesstemperatur und die aus der Endmesstemperatur berechnete Modelltemperatur als Endmodelltemperatur - beispielsweise in einer nichtflüchtigen Speichereinheit - gespeichert. Unter einer Betriebsphase ist dabei ein Zeitraum zu verstehen, der zwischen einem Beginn eines Betriebs und dem Ende eines Betriebs liegt. Das Ende eines Betriebs ist dabei insbesondere durch ein Abschalten des Prozesses, insbesondere aller während des Betriebs betriebenen Vorrichtungen gekennzeichnet. Zu Beginn einer zweiten Betriebsphase, die nach der ersten Betriebsphase stattfindet, wird mittels des Temperatursensors eine Startmesstemperatur ermittelt. Aus der Startmesstemperatur, der gespeicherten Endmesstemperatur und der Endmodelltemperatur wird dann eine Startmodelltemperatur berechnet.
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Aus der Startmesstemperatur und der gespeicherten Endmesstemperatur wird insbesondere eine Wärmebilanzkurve berechnet. Die Wärmebilanzkurve kann dann in Verbindung mit der Endmodelltemperatur dazu verwendet werden, weiter vorzugsweise unter Berücksichtigung einer Korrekturfunktion, eine Startmodelltemperatur, die einen Schätzwert der tatsächlichen Temperatur an der zweiten Stelle darstellt, zu berechnen. Die Korrekturfunktion berücksichtigt dabei insbesondere ein Verhältnis einer ersten thermischen Masse, die mit der ersten Stelle in thermischem Kontakt steht, und einer zweiten thermischen Masse, die mit der zweiten Stelle in thermischem Kontakt steht.
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Die erfindungsgemäße Berechnung der Startmodelltemperatur hat den Vorteil, dass dabei nicht nur die aktuelle Umgebungstemperatur berücksichtigt wird. Vielmehr ergibt sich aus der gespeicherten Endmesstemperatur des Sensors am Ende der ersten Betriebsphase und der Startmesstemperatur des Sensors zu Beginn der zweiten Betriebsphase eine Wärmebilanzkurve, die von den äußeren Umgebungsbedingungen während des gesamten Zeitraums zwischen der ersten und der zweiten Betriebsphase abhängig ist. Unter Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften eines Vorrichtungsabschnitts, in dem sich der Temperatursensor befindet, und der thermischen Eigenschaften eines Vorrichtungsabschnitts, auf den sich die Modelltemperatur bezieht, kann die Startmodelltemperatur sehr präzise geschätzt werden. Dazu ist es insbesondere nicht notwendig, die Zeitdauer zu kennen, die zwischen den beiden Betriebsphasen verstrichen ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die thermische Masse, die mit dem Temperatursensor gekoppelt ist, höher ist als die thermische Masse, die mit dem Vorrichtungsabschnitt verbunden ist, auf den sich die Modelltemperatur bezieht.
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Besonders vorteilhaft lässt sich ein derartiges Verfahren in einem Kühlkreislauf, beispielsweise in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, einem batterieelektrisch oder brennstoffzellenelektrisch betriebenen Fahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, einsetzen. Aus den Messwerten eines einzigen Temperatursensors, der an einer geeigneten Stelle in dem Kühlkreislauf positioniert ist, lässt sich so eine Modelltemperatur für jede andere Stelle innerhalb des Kühlkreislaufs, insbesondere für einen Kühlerausgang, berechnen, wenn die thermische Charakteristik des Kühlkreislaufs bekannt ist.
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Insbesondere kann im Rahmen der Erfindung die Temperatur des Kühlmittels, welches dem Prozess zugeführt wird, mittels eines Mischventils eingestellt werden, wobei das Mischventil insbesondere einstellt, welcher Anteil des aus dem Prozess rückströmenden Kühlmittels durch den Kühler strömt. Um die Temperatur des dem Prozess zugeführten Kühlmittels richtig (d.h. auf eine gewünschte Betriebstemperatur) einzustellen, ist die Kenntnis der Temperatur sowohl des aus dem Prozess rückströmenden Kühlmittels als auch des aus dem Kühler austretenden Kühlmittels zweckmäßig. Insbesondere für letzteres existiert jedoch in der Praxis meist kein Sensor.
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Der Kühler soll im hier verwendeten Sprachgebrauch ein Bauteil bezeichnen, in dem die Temperatur des Kühlmittels, beispielsweise durch Wärmetausch mit der umgebenden natürlichen Atmosphäre, gesenkt wird. Ein Kühler soll also nicht die Teile des Kühlkreislaufs bezeichnen, in denen die zu kühlenden Vorrichtungsteile gekühlt werden, sondern die Wärmesenke des Kühlkreislaufs.
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Bevorzugt wird der Temperatursensor an einer Stelle vorgesehen, die mit einer großen thermischen Masse gekoppelt ist, insbesondere hinter dem Motor als der typischerweise heißesten Stelle eines Kühlkreislaufes. Dadurch ist die Temperaturdynamik nach dem Ende des Prozesses langsam und ein brauchbarer Wert für eine Startmodelltemperatur kann auch dann noch berechnet werden, wenn der Zeitraum zwischen der ersten und der zweiten Betriebsphase lang ist. Wäre die thermische Masse an der Stelle, an der der Temperatursensor installiert ist, gering, würde sich die Temperatur an dieser Stelle schnell an die Umgebungstemperatur anpassen, während Vorrichtungsteile an anderen Stellen eine geringere Temperaturdynamik aufweisen können, wodurch an diesen anderen Stellen die Temperatur zu Beginn der zweiten Betriebsphase möglicherweise noch nicht an die Umgebungstemperatur angepasst sind. Daher ist es insbesondere vorteilhaft, den Temperatursensor an der Stelle mit der höchsten thermischen Masse bzw. der geringsten thermischen Dynamik in einem inaktiven Betriebszustand vorzusehen.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Kühler eines Kühlkreislaufs zu Beginn der Kühlung umgangen wird und erst dann verwendet wird, wenn die Modelltemperatur einen vorbestimmten Schwellwert erreicht. Dadurch kann eine optimale Prozesstemperatur möglichst schnell erreicht werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Konzepts kann vorsehen, dass der Kühler graduell von immer größeren Mengen Kühlmittels durchströmt wird. Dadurch kann der Übergang von einer Startphase in den Normalbetrieb besonders sanft und gut steuerbar gestaltet werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein erster Volumenstrom des Kühlmittels, der den Kühler durchläuft, mit einem zweiten Volumenstrom des Kühlmittels, der am Kühler vorbeigeleitet wird, stromab des Kühlerausgangs gemischt wird, um die optimale Prozesstemperatur einzustellen. Dabei kann das Volumenverhältnis des ersten und zweiten Volumenstroms in Abhängigkeit von der Modelltemperatur gesteuert werden.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch einen Kühlkreislauf als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Zum Zweck der Erläuterung sei angenommen, bei einem Prozess 100 handele es sich um den Betrieb eines Fahrzeugs mit Verbrennungs- oder Elektromotor 120, insbesondere um dessen Kühlung.
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Ein Temperatursensor ist in dem Beispiel hinter dem Motor 120 und einer Pumpe 160 vorgesehen, wo typischerweise ein Kühlmittel während des Betriebs des Fahrzeugs eine besonders hohe Temperatur T1 aufweist, da es dort gerade aus dem heißen Motor 120 ausgetreten ist und noch keine Möglichkeit zur Energieabgabe bestanden hat.
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Stromab der Pumpe 160 befindet sich ein Mischventil 170, um das aus dem Motor rückströmende Kühlmittel in einen ersten Volumenstrom, der einen Kühler 130 durchläuft, und einen zweiten Volumenstrom, der mittels eines Bypasses 180 am Kühler vorbeigeleitet wird, aufzuteilen. Aus dieser Aufteilung ergibt sich letztendlich die Kühlmitteltemperatur am Motoreingang bzw. die Betriebstemperatur.
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Beim Durchlaufen des Kühlers 130, der beispielsweise als Wärmetauscher gegen Umgebungsluft, die durch Kühllamellen des Kühlers streicht oder geblasen wird, ausgestaltet ist, gibt das Kühlmittel Wärme an die Umgebungsluft ab und verringert dadurch seine Temperatur. Am Ausgang des Kühlers weist das Kühlmittel folglich typischerweise die geringste Temperatur im Kühlkreislauf 100 auf.
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Zur korrekten Einstellung der Temperatur des Kühlmittels am Eingang des Motors 120 durch Mischen des ersten und zweiten Volumenstroms ist eine Information über die Temperatur T2 des Kühlmittels stromab des Kühlers 130 erforderlich. Wie erwähnt, ist üblicherweise kein zusätzlicher Sensor zur Bestimmung dieser Temperatur verbaut. Daher ist die Ermittlung einer Modelltemperatur T2 vorgesehen, die beispielsweise von einem Steuergerät 150 des Fahrzeugs durchgeführt wird. In dem gezeigten Beispiel wird das Mischventil 170 so eingestellt, dass das aus dem ersten und zweiten Volumenstrom gemischte Kühlmittel eine gewünschte Eintrittstemperatur aufweist, bevor es erneut in den Motor 120 zum Wärmetausch gegen die zu kühlenden Motorteile geleitet wird.
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Wie bereits erwähnt, ist dafür ein Modell zur Berechnung einer Modelltemperatur T2 in dem Prozess 100 vorgesehen. Dieses Modell kann beispielsweise empirisch oder theoretisch sein. In dieses Modell fließt ein Messwert des Temperatursensors, der an einer ersten Stelle in dem Prozess eine Messtemperatur T1 misst, ein. Die Modelltemperatur T2 kann sich insbesondere auf eine zweite Stelle in dem Prozess 100, die entfernt von der ersten Stelle liegt, beziehen. Um auch zu Beginn einer Betriebsphase des Prozesses bereits eine nicht bedeutungsleere Modelltemperatur T2 berechnen zu können, sind Informationen über die Zeit vor dem Beginn der Betriebsphase nötig.
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Beispielsweise wäre es möglich, dass der Verbrennungsmotor 120 nach einer langen Betriebsphase nur sehr kurzfristig abgestellt war und daher noch heiß ist, wenn er erneut in Betrieb genommen wird. Um eine Ventilstellung des Mischventils 170 und ggf. auch eine Lüfterrotationsgeschwindigkeit oder eine Umwälzgeschwindigkeit für die Kühlmittelpumpe 160 sinnvoll zu steuern, ist es erforderlich, die aktuelle Kühlmitteltemperatur möglichst präzise abzuschätzen. Dazu steht in dem Beispiel jedoch nur der Messwert des Sensors am Motorausgang zur Verfügung. Da dieser in dem Beispiel jedoch an der heißesten Stelle des Kühlkreislaufs 100 installiert ist, stimmt der Messwert nicht mit der tatsächlichen Temperatur T2 am Kühlerausgang oder der Temperatur am Eingang des Motors 120 überein. Daher wird das Modell verwendet, um auf diese Temperaturen schließen zu können. Die Temperatur T2 des ersten Volumenstroms stromab des Kühlers 130 ist herkömmlicherweise unbekannt. Da zu Beginn einer Betriebsphase üblicherweise auch keine weiteren Werte zur Verfügung stehen, kann herkömmlicherweise angenommen werden, dass die von dem Sensor gemessene Temperatur T1 im gesamten Kühlkreislauf 100 herrscht. Da diese Temperatur T1 im genannten Beispiel - bei kurzer Betriebsunterbrechung - jedoch mit großer Wahrscheinlichkeit höher ist als die tatsächliche Temperatur T2 stromab des Kühlerausgangs, wird in dem herkömmlichen Verfahren ein falsches Mischverhältnis für den Betrieb des Kühlkreislaufs 100 eingestellt. Dadurch kann es zu einem nicht optimalen und damit ineffizienten Betrieb des Motors 120, insbesondere auch zu einer zu niedrigen Kühlmitteltemperatur T2 (sog. „Cold Nip“) am Motoreingang, kommen.
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Gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wird daher jeweils am Ende einer Betriebsphase sowohl der durch den Sensor gemessene Wert T1 als auch die letzte berechnete Modelltemperatur T2 aufgezeichnet, hier beispielsweise in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergeräts 150.
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Im oben geschilderten Beispiel bestünde nur ein kleiner Unterschied zwischen der aufgezeichneten Endmesstemperatur der früheren Betriebsphase und der neu gemessenen Startmesstemperatur der späteren Betriebsphase. Die Berechnung der Modelltemperatur T2 erfolgt daher vorteilhaft unter Berücksichtigung dieses Temperaturunterschieds und bezieht die aufgezeichnete Endmodelltemperatur in entsprechender Weise in die Berechnung einer Startmodelltemperatur für die spätere Betriebsphase ein.
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Beispielsweise könnten für ausgewählte Stellen im Kühlkreislauf Abkühlkurven in dem nichtflüchtigen Speicher des Steuergeräts 150 hinterlegt sein. So kann aus dem ermittelten Temperaturunterschied zwischen den beiden Messtemperaturen eine Abkühlkurve ermittelt werden und mit einer entsprechenden Abkühlkurve für die Stelle, auf die sich die Modelltemperatur T2 bezieht, kann dann die Startmodelltemperatur berechnet werden. Dadurch werden Abschätzungen der Startmodelltemperatur möglich, die sehr viel exakter den tatsächlich herrschenden Verhältnissen entsprechen.
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Derartige Abkühlkurven können beispielsweise empirisch durch Messung während einer Versuchsbetriebsphase oder theoretisch anhand von thermodynamischen Berechnungen unter Verwendung von bekannten Parametern (z.B. Konstruktionsdaten, Materialkonstanten, Strömungsverhalten, etc.) ermittelt werden.
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In einem einfach gestalteten Modell könnte bei der Berechnung der Modelltemperatur T2 beispielsweise davon ausgegangen werden, dass der Temperaturverlauf zwischen der Endmesstemperatur und der Startmesstemperatur einer Exponentialfunktion folgt, die auch den Temperaturverlauf zwischen den End- und Startmodelltemperaturen beschreibt. Die Berechnung der Startmodelltemperatur würde dann unter Verwendung der Exponentialfunktion erfolgen, wobei auch der Temperaturunterschied der beiden Messtemperaturen eingeht. Aus diesem Temperaturunterschied kann auch auf den Zeitraum zwischen den beiden Betriebsphasen geschlossen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind auch Parameter des Kühlkreislaufs 100 bekannt, beispielsweise thermische Massen, die mit den entsprechenden Stellen im Kühlkreislauf 100 in thermischem Austausch stehen. Dadurch können Abkühlkurven noch besser modelliert werden.
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Bei Kenntnis der Startmodelltemperatur kann beispielsweise eine Menge an Kühlmittel, die als der zweite Volumenstrom über den Bypass 180 an dem Kühler 130 vorbei zum Motor 120 zurück geleitet wird, schon von Beginn der zweiten Betriebsphase an so gesteuert werden, dass sich eine optimale (Misch-) Temperatur am Eingang des Motors 120 einstellt. Eine derartige Mischung der ersten und zweiten Volumenströme bietet weiterhin den Vorteil, dass ein Übergang vom reinen Bypass-Betrieb des Kühlkreislaufs zum regulären Betrieb unter Verwendung des Kühlers sehr sanft gestaltet werden kann und keine Temperatursprünge am Eingang des Motors 120 auftreten.
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In weiteren vorteilhaften Weiterbildungen kann eine Zeitdauer, die zwischen den beiden Betriebsphasen verstrichen ist, ermittelt und zur Ermittlung der Abkühlkurve verwendet werden. Dazu kann beispielsweise der Zeitpunkt des Endes der früheren Betriebsphase zusammen mit der Endmesstemperatur und der Endmodelltemperatur gespeichert werden und der Zeitpunkt des Starts der späteren Betriebsphase unter Verwendung einer permanent laufenden Zeiterfassungseinrichtung bestimmt werden. Die Berechnung der Startmodelltemperatur würde dann unter Verwendung der Abkühlkurve, z.B. einer Exponentialfunktion, unter Berücksichtigung des Temperaturunterschieds der beiden Messtemperaturen und der Zeitdauer zwischen den beiden Betriebsphasen erfolgen. Durch die Verwendung der ermittelten Zeitdauer kann die Startmodelltemperatur noch präziser bestimmt werden.
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Besonders vorteilhaft ist das erläuterte Vorgehen, wenn der Sensor an einer Stelle installiert ist, an der die Abkühlung im Vergleich zu der Stelle, auf die sich die Modelltemperatur T2 bezieht, langsam erfolgt. In einem derartigen Fall kann davon ausgegangen werden, dass wenn die Startmesstemperatur einer gewöhnlichen Umgebungstemperatur entspricht, dies auch ein sinnvoller Startmodellwert ist, da die Temperaturen in dem Kühlkreislauf 100 des Fahrzeugs nicht unter die Umgebungstemperatur absinken können. Mit anderen Worten: Wenn die Temperatur T1 an einem thermisch trägen Ort die Umgebungstemperatur angenommen hat, muss auch die Temperatur T2 an einem thermisch weniger trägen Ort mit der Umgebungstemperatur übereinstimmen.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorgeschlagenen Lösung ist, dass der gesamte Temperaturverlauf der Umgebungstemperatur, der während der Zeit, in der der Kühlkreislauf 100 abgeschaltet war, auf den Kühlkreislauf 100 von außen einwirkte, berücksichtigt werden kann, da hier eine interne Referenz verwendet wird.
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Sind noch weitere Sensordaten verfügbar, beispielsweise von einem Sensor, der zur Messung einer Außentemperatur oder einer Luftfeuchte der Umgebungsluft in dem Fahrzeug vorgesehen ist, können auch diese weiteren Sensordaten vorteilhaft für die Berechnung der Startmodelltemperatur bzw. später auch der Modelltemperatur T2 verwendet werden.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen kann auch vorgesehen sein, dass Daten, die von außerhalb des Fahrzeugs stammen und über eine Kommunikationsschnittstelle des Fahrzeugs, beispielsweise eine Radioantenne, empfangen werden, zur Berechnung der Startmodelltemperatur bzw. später auch der Modelltemperatur T2 genutzt werden. Dies können vorteilhafterweise Wetterdaten für eine Region sein, in der sich das Fahrzeug während der Zeit zwischen den beiden Betriebsphasen befand. Dadurch kann die Berechnung noch genauer auf mögliche Einflussparameter abgestimmt werden und die Differenz zwischen der berechneten Startmodelltemperatur und der tatsächlich an der entsprechenden Stelle herrschenden Temperatur minimiert werden.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung nutzen Daten, Sensoren und Rechen- und Steuereinheiten 150, die in dem Fahrzeug ohnehin vorhanden sind, so dass dafür keine oder nur sehr wenige zusätzliche Bauteile installiert werden müssen.
