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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Kältemittelfüllmenge einer Kältemaschine, die einen Kompressor zur Kompression des Kältemittels, ein Entspannungsmittel zur Druckentspannung des Kältemittels, einen Hochdruckwärmetauscher, durch den das Kältemittel nach der Kompression durch den Kompressor geführt wird, um Wärme an ein Wärmetauschmedium, insbesondere Luft, abzugeben, und einen Niederdruckwärmetauscher, durch den das Kältemittel nach der Druckentspannung durch das Entspannungsmittel geführt wird, um Wärme von dem oder einem weiteren Wärmetauschmedium aufzunehmen, wobei in Abhängigkeit mehrerer Betriebsparameter eine die Kältemittelfüllmenge betreffende Füllstandsinformation ermittelt wird. Daneben betrifft die Erfindung eine Kältemaschine und ein Kraftfahrzeug.
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Kältemaschinen werden in Kraftfahrzeugen beispielsweise als Teil von Klimaanlagen genutzt, um eine Kühlung des Fahrzeuginnenraums zu ermöglichen. Sie werden jedoch auch in einer Vielzahl von anderen Anwendungsgebieten, von Industrieanwendungen bis hin zu Kühlschränken genutzt. Durch die Kompression und Expansion des Kältemittels im Kältemittelkreislauf der Kältemaschine kann ein gezielter Transport von Wärme erfolgen. Hierbei ist ein gewisser Füllstand des Kältemittelkreises mit Kältemittel einzuhalten, um überhaupt einen Wärmetransport zu erreichen und insbesondere, um eine hohe Effizienz des Wärmetransports zu erreichen.
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In Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen wird typischerweise davon ausgegangen, dass die Kältemittelverluste im Betrieb ausreichend klein sind, dass Verluste gegenüber einer anfänglichen Kältemittelbefüllung nicht zu einer allzu starken Einschränkung der Kälteleistung führen. Über eine lange Nutzungszeit eines Kraftfahrzeugs hinweg kann hierbei jedoch die Kälteleistung für einen Nutzer merklich sinken. Zudem kann bei einer Unterfüllung des Kältemittelkreislaufs neben einer ungenügenden Kälteleistung unter Umständen auch eine Beeinträchtigung des Kompressors auftreten, da diesem hierdurch unter Umständen nicht mehr ausreichend viel Öl zur Schmierung zugeführt werden kann.
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Prinzipiell wäre es möglich, ein festes Serviceintervall für eine Kältemittelnachfüllung einzuführen, um eine spürbare Reduzierung der Kälteleistung und hieraus resultierende Beanstandungen zu vermeiden. Da jedoch der Kältemittelfüllstand nicht ohne weiteres gemessen werden kann und sowohl eine Über- als auch eine Unterfüllung Nachteile bis hin zu Bauteilbeeinträchtigungen im Betrieb mit sich bringen können, ist hierbei typischerweise ein vollständiger Austausch des Kältemittels erforderlich, d.h. ein Absaugen des vorhandenen Kältemittels und eine vollständige Neubefüllung des Kältemittelkreislaufs mit Kältemittel der vorgeschriebenen Menge, einschließlich des Ersatzes des mit dem Kältemittel zuvor abgesaugten Öls. Hieraus können hohe Servicekosten bei einem regelmäßigen Kältemittelaustausch resultieren. Dies gilt insbesondere, da Serviceintervalle vorsorglich ausreichend kurz gewählt werden müssten, um im Wesentlichen für alle Anwendungsszenarien und Kraftfahrzeugmodelle, auch bei innerhalb der gleichen Serie auftretenden Toleranzen, stets rechtzeitig einen Kältemittelaustausch durchzuführen, da ansonsten wiederum eine ineffiziente Kühlung oder sogar Beeinträchtigungen am Kompressor vorliegen können.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 019 498 A1 schlägt vor, verschiedene Betriebsparameter einer Kältemaschine zu überwachen und in Abhängigkeit dieser Betriebsparameter eine Kältemittelfüllmenge abzuschätzen. Die geschätzte Kältemittelfüllmenge kann genutzt werden, um bedarfsgerecht Kältemittel aus einem Reservoir in den Kältemittelkreislauf einzuführen oder aus diesem abzuführen. Insbesondere in Fällen, in denen auf ein zusätzliches Kältemittelreservoir verzichtet werden soll, jedoch auch in der in der genannten Druckschrift beschriebenen Vorrichtung, wäre es jedoch wünschenswert, gegenüber der dortigen Lehre eine genauere Prognose einer Kältemittelfüllmenge bzw. einer Abweichung von einer anfänglichen Kältemittelfüllmenge zu ermöglichen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung einer Kältemittelfüllmenge anzugeben, die insbesondere eine genauere Abschätzung der Kältemittelfüllmenge erreicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Füllstandsinformation unabhängig von der Temperatur des Kältemittels nach der Kompression durch den Kompressor ermittelt wird, wobei als einer der Betriebsparameter eine Temperatur des oder des weiteren Wärmetauschmediums verwendet wird, wobei bei Erfüllung einer von der Füllstandsinformation abhängigen Hinweisbedingung eine Hinweiseinrichtung angesteuert wird, um einen Hinweis an einen Nutzer oder eine externe Einrichtung zu geben.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine Kältemittelfüllmenge bzw. eine Veränderung einer Kältemittelfüllmenge erheblich genauer abgeschätzt werden kann, wenn eine Temperatur des Kältemittels nach der Kompression durch den Kompressor, die z.B. in der Druckschrift
DE 10 2013 019 498 A1 genutzt wird, unberücksichtigt bleibt, da diese Größe eine gewisse Trägheit aufweisen kann und somit nur bedingt geeignet sein kann, einen tatsächlich aktuell vorliegenden Betriebszustand einer Kältemaschine zu beschreiben. Es wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass eine besonders gute Genauigkeit erreicht werden kann, wenn statt diesem Parametern des Kältemittelkreislaufs die Temperatur des bzw. des weiteren Wärmetauschmediums berücksichtigt wird. Wie später noch erläutert werden wird, muss hierdurch nicht notwendigerweise die Anzahl der berücksichtigten Betriebsparameter verändert werden, so dass trotz eines im Wesentlichen gleichen Rechenaufwands eine verbesserte Genauigkeit erreicht werden kann. Zudem ist eine Temperaturüberwachung mit geringem technischen Aufwand, beispielsweise durch Nutzung eines resistiven Temperatursensors, möglich, so dass das erfindungsgemäße Verfahren mit minimalem technischem Aufwand implementiert werden kann.
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Die überwachte Kältemaschine kann insbesondere die Kältemaschine einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs sein oder dazu dienen, eine Komponente eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eine Kraftfahrzeugelektronik, eine Batterie oder einen Motor, zu kühlen.
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Die Betriebsparameter können sensorisch erfasst werden. Es ist jedoch auch möglich, dass wenigstens einer der Betriebsparameter auf Basis von Ansteuerinformationen ermittelt wird, die beispielsweise in einer Steuereinrichtung der Kältemaschine bzw. des Kraftfahrzeugs ohnehin bereitstehen und beispielsweise zur Kompressorsteuerung genutzt werden. Beispielsweise können Temperaturen und Drücke sensorisch erfasst werden und eine Drehzahl und/oder eine Leistung des Kompressors kann auf Basis von Ansteuerinformationen ermittelt werden. Alternativ können jedoch auch diese den Kompressor betreffenden Größen sensorisch erfasst werden.
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Die Füllstandsinformation kann die Kältemittelfüllmenge des Kältemittelkreislaufes direkt beschreiben und beispielsweise ein Gewicht des im Kältemittelkreislaufs befindlichen Kältemittels angeben. Insbesondere, wenn wie später noch erläutert werden wird, ein Algorithmus zur Ermittlung der Füllstandsinformation auf Basis von Trainingsdaten trainiert wird, kann es jedoch vorteilhaft sein, einen Einfluss von Toleranzen bezüglich eines anfänglichen Füllstands bzw. toleranzbedingte Abweichungen zwischen einzelnen Fahrzeugen dadurch zumindest weitgehend zu kompensieren, dass stattdessen eine Füllstandsinformation ermittelt wird, die eine Abweichung von einer anfänglichen Füllmenge beschreibt. Die Hinweisbedingung kann insbesondere erfüllt sein oder nur dann erfüllbar sein, wenn eine eine Füllmenge beschreibende Füllstandsinformation einen Grenzwert unterschreitet oder eine eine Abweichung von einer anfänglichen Füllmenge beschreibende Füllstandsinformation einen Grenzwert überschreitet.
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Der Hinweis kann z.B. ein optischer oder akustischer Hinweis sein, der auf einen Wartungsbedarf hinweist. Ergänzend oder alternativ kann z.B. per Funk ein Hinweis an eine Werkstatt, den Fahrzeughersteller oder Ähnliches übertragen werden. Der Hinweis kann insbesondere die Füllstandsinformation oder eine von der Füllstandsinformation abhängende Information umfassen. Dies kann es insbesondere ermöglichen, den Nutzer bzw. die externe Einrichtung über die Menge des nachzufüllenden Kältemittels zu informieren. Ergänzend oder alternativ kann es möglich sein, die Füllstandsinformation unabhängig von der Erfüllung der Hinweisbedingung oder zu einem beliebigen Zeitpunkt nach Erfüllung der Hinweisbedingung aus der Steuereinrichtung oder einem Fehlerspeicher auszulesen, an einer Anzeigeeinrichtung anzuzeigen oder Ähnliches.
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In der Regel wird in Kältemaschinen ein Kältemittel genutzt, das einen Phasenübergang durchführt. Da ein solches Kältemittel im Hochdruckwärmetauscher typischerweise kondensiert, kann dieser auch als Kondensator bezeichnet werden. Entsprechend kann der Niederdruckwärmerauscher als Verdampfer bezeichnet werden.
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Als der Betriebsparameter kann die Temperatur des Wärmetauschmediums vor dessen Erwärmung durch den Hochdruckwärmetauscher verwendet werden. Insbesondere kann dies der einzig verwendete Betriebsparameter sein, der eine Temperatur des oder des weiteren Wärmetauschmediums betrifft. Diese Temperatur kann beispielsweise über einen Temperatursensor an einer Zuführleitung des Hochdruckwärmetauschers für das Wärmetauschmedium erfasst werden. Im Rahmen der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde erkannt, dass es besonders vorteilhaft ist, diese Temperatur statt der Temperatur des Kältemittels nach der Kompression durch den Kompressor zu berücksichtigen.
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Erfindungsgemäß wird die Füllstandsinformation in Abhängigkeit mehrerer Betriebsparameter ermittelt. Neben der Temperatur des oder des weiteren Wärmetauschmediums, insbesondere neben der Temperatur des Wärmetauschmediums vor dessen Erwärmung durch den Hochdruckwärmetauscher, können ein Druck des Kältemittels vor der Kompression durch den Kompressor und/oder ein Druck des Kältemittels nach der Kompression durch den Kompressor und/oder eine Temperatur des Kältemittels vor der Kompression durch den Kompressor und/oder eine Drehzahl des Kompressors und/oder eine dem Kompressor zugeführte elektrische Leistung als Betriebsparameter zur Ermittlung der Füllstandsinformation verwendet werden. Zumindest einige dieser Parameter werden vorzugsweise berücksichtigt, um eine möglichst genaue Ermittlung der Füllstandsinformation zu erreichen. Insbesondere können alle genannten Größen verwendet werden. Im Rahmen der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde erkannt, dass in diesem Fall eine besonders genaue Abschätzung der Kältemittelfüllmenge bzw. deren Änderung möglich ist. Es müssen jedoch nicht notwendig alle diese Betriebsparameter ausgewertet werden. Beispielsweise wurde im Rahmen der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch erkannt, dass bereits ohne eine Berücksichtigung der dem Kompressor zugeführten Leistung eine gute Genauigkeit erreicht werden kann.
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Besonders bevorzugt können ausschließlich die genannten Größen als Betriebsparameter berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß bleibt die Temperatur des Kältemittels nach dem Kompressor, die in der eingangs zitierten Druckschrift
DE 10 2013 019 458 ausgewertet wird, unberücksichtigt. Hierdurch können Abweichungen aufgrund der möglicherweise auftretenden Trägheit dieser Größe vermieden werden.
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Die Füllstandsinformation kann durch einen Algorithmus ermittelt werden, der durch ein Verfahren des maschinellen Lernens parametrisiert ist. Insbesondere kann als Algorithmus oder als Teil des Algorithmus ein neuronales Netz verwendet werden. Im Rahmen der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine gute Prognosequalität erreicht, wenn ein neuronales Netz mit sechs künstlichen Neuronen trainiert wurde. Auch größere oder geringere Anzahlen von künstlichen Neuronen können jedoch gute Ergebnisse liefern, beispielsweise neuronale Netze mit drei bis zwanzig künstlichen Neuronen, insbesondere neuronale Netze mit fünf bis zehn künstlichen Neuronen.
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Die Trainingsdaten können hierbei derart generiert werden, dass das neuronale Netz bzw. der Algorithmus auf tatsächlich erfasste Zustände trainiert wird. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Trainingsdatensätze jeweils Betriebsparameter für einen momentanen Betriebszustand bzw. Zeitpunkt beschreiben. Entsprechend kann auch die momentan tatsächlich vorhandene Kältemittelfüllmenge zu dem jeweiligen Zeitpunkt erfasst und bei einem überwachten Training als Teil des Trainingsdatensatzes genutzt werden.
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Statt neuronalen Netzen können alternativ auch andere Algorithmen durch Verfahren des maschinelles Lernens parametrisiert werden. Beispielsweise kann durch das maschinelle Lernen eine Parametrisierung einer vorgegebenen Funktion durch Regressionsanalyse erfolgen.
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Der Algorithmus kann ein neuronales Netz, insbesondere ein Feedforward-Netz oder ein rückgekoppeltes neuronales Netz, sein oder umfassen, wobei in wenigstens einem künstlichen Neuronen des neuronalen Netzes eine aus Eingangsgrößen diesen künstlichen Neurons ermittelte Zwischengröße durch eine Aktivierungsfunktion abgebildet wird, um Ausgangsdaten dieses künstlichen Neurons bereitzustellen, wobei die Aktivierungsfunktion direkt berechnet oder durch Verwendung einer Wertetabelle approximiert wird. Aktivierungsfunktionen von künstlichen Neuronen in neuronalen Netzen sind typischerweise nichtlineare Funktionen. Beispielsweise kann eine tanh-Funktion als Aktivierungsfunktion verwendet werden. Die Berechnung solcher nichtlinearen Funktionen ist nicht trivial, so dass beispielsweise eine in einem Klimasteuergerät eines Kraftfahrzeugs vorhandene Rechenleistung nicht ausreichend sein kann, um eine solche Aktivierungsfunktion in Echtzeit zu berechnen. Statt einer exakten Berechnung der Aktivierungsfunktion kann somit eine Approximation der Aktivierungsfunktion durch eine Wertetabelle genutzt werden, die bestimmten Zwischengrößen bestimmte Ausgangsdaten zuweist. Vorzugsweise werden die Ausgangsgrößen nicht direkt ausgelesen, sondern es erfolgt eine, insbesondere lineare, Interpolation der Zwischengröße auf Basis der Größen aus der Wertetabelle. Hierdurch kann ein guter Kompromiss zwischen einer Minimierung des erforderlichen Rechenaufwands und der erreichten Genauigkeit erreicht werden.
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Die Füllstandsinformation kann, insbesondere im laufenden Fahrbetrieb, wiederholt ermittelt werden, wobei die Erfüllung der Hinweisbedingung von mehreren nacheinander ermittelten Füllstandsinformationen abhängt. In einem einfachen Beispiel kann geprüft werden, ob beispielsweise eine bestimmte Anzahl von aufeinanderfolgenden Füllstandsinformationen einen Grenzwert über- bzw. unterschreitet und nur in diesem Fall kann die Hinweisbedingung erfüllt sein.
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Besonders bevorzugt wird die Füllstandsinformation jedoch wiederholt ermittelt, wobei die Erfüllung der Hinweisbedingung von einem Mittelwert oder einem gewichteten Mittelwert einer vorgegebenen Anzahl zuletzt ermittelter Füllstandsinformationen abhängt. Dies kann vorteilhaft sein, wenn der Algorithmus zur Ermittlung der Füllstandsinformation davon ausgeht, dass sich die Kältemaschine in einem instationären Zustand befindet. Dies kann jedoch dazu führen, dass Sprünge der Betriebsparameter zu Sprüngen der Füllstandsinformation führen können, die nicht mit dem tatsächlichen Füllstand korrelieren. Dies kann durch die erläuterte, insbesondere gewichtete, Mittelwertbildung weitgehend vermieden werden, da hierdurch der zeitliche Verlauf der Füllstandsinformation geglättet wird. Alternativ könnte dies beispielsweise durch eine Filterung des zeitlichen Verlaufs der Füllstandsinformation vor Anwendung eines geeigneten Glättungsverfahrens, beispielweise einer gradientenabhängigen Filterung basierend auf den Betriebsparametern und/oder der aktuell berechneten Füllmengenprognose, erreicht werden.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung eine Kältemaschine, umfassend einen Kompressor zur Kompression des Kältemittels, ein Entspannungsmittel zur Druckentspannung des Kältemittels, einen Hochdruckwärmetauscher, durch den beim Betrieb der Kältemaschine das Kältemittel nach der Kompression durch den Kompressor geführt wird, um Wärme an ein Wärmetauschmedium, insbesondere Luft, abzugeben, und einen Niederdruckwärmetauscher, durch den beim Betrieb der Kältemaschine das Kältemittel nach der Druckentspannung durch das Entspannungsmittel geführt wird, um Wärme von dem oder einem weiteren Wärmetauschmedium aufzunehmen, wobei die Kältemaschine eine Steuereinrichtung umfasst, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
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Die zum erfindungsgemäßen Verfahren offenbarten Merkmale können mit den dort genannten Vorteilen auf die erfindungsgemäße Kältemaschine übertragen werden und umgekehrt.
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Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Kältemaschine, die einen Kompressor zur Kompression des Kältemittels, ein Entspannungsmittel zur Druckentspannung des Kältemittels, einen Hochdruckwärmetauscher, durch den beim Betrieb der Kältemaschine das Kältemittel nach der Kompression durch den Kompressor geführt wird, um Wärme an ein Wärmetauschmedium, insbesondere Luft, abzugeben, und einen Niederrückwärmetauscher, durch den beim Betrieb der Kältemaschine das Kältemittel nach der Durchentspannung durch das Entspannungsmittel geführt wird, um Wärme von dem oder einem weiteren Wärmetauschmedium aufzunehmen, umfasst, wobei das Kraftfahrzeug eine Steuereinrichtung umfasst, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
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Die Steuereinrichtung kann in die Kältemaschine integriert sein. In diesem Fall umfasst das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug eine erfindungsgemäße Kältemaschine. Die Kältemaschine kann insbesondere Teil einer Klimatisierungseinrichtung zur Klimatisierung des Kraftfahrzeuginnenraums sein. Unabhängig davon, ob die Steuereinrichtung in die Kältemaschine integriert ist, kann diese Teil der Klimaanlage sein und beispielsweise durch ein Thermo-Management-Steuergerät implementiert sein.
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Die zum erfindungsgemäßen Verfahren bzw. zur erfindungsgemäßen Kältemaschine offenbarten Merkmale können mit den dort genannten Vorteilen auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen werden und umgekehrt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
- 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kältemaschine, und
- 4 einen Vergleich von durch das erfindungsgemäße Verfahren ermittelten Kältemittelfüllmengen mit gemessenen Kältemittelfüllmengen.
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1 zeigt ein Kraftahrzeug 1, das eine Klimaanlage 2 aufweist, um den Innenraum 5 des Kraftfahrzeugs 1 zu klimatisieren. Hierzu wird Luft über eine Ansaugöffnung 3 angesaugt und über Ausströmer 4 in den Innenraum 5 eingebracht. Durch eine Kältemaschine 7 kann die zugeführte Luft gekühlt werden.
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Der Aufbau der Kältemaschine 7 ist schematisch in 3 dargestellt. In einem Kältemittelkreislauf 23 wird das Kältemittel 24 durch den Kompressor 25 verdichtet, wodurch seine Dichte und Temperatur steigt. Anschließend wird es durch den Hochdruckwärmetauscher 27 geführt, um Wärme an ein Wärmetauschmedium 28 abzugeben. Das hierdurch abgekühlte Kältemittel 24 wird anschließend durch ein Entspannungsmittel 26, beispielsweise eine Drossel oder eine Erweiterung des Kanalquerschnitts, geführt, wodurch der Druck sinkt und auch die Temperatur des Kältemittels weiter reduziert wird. Im Niederdruckwärmetauscher 29 wird dann durch das Kältemittel 24 von einem Wärmetauschmedium 30 Wärme aufgenommen und somit das Wärmetauschmedium 30 gekühlt. Das hierdurch erwärmte Kältemittel 24 wird wiederum zum Kompressor 25 geführt, um den beschriebenen Kreislauf erneut zu durchlaufen.
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In dem in 1 gezeigten Kraftfahrzeug ist das Wärmetauschmedium 30 Luft, die über die Ansaugöffnung 3 zugeführt und nach einer Kühlung über den Ausströmer 4 in den Innenraum 5 abgegeben wird. Beim Wärmetauschmedium 28 handelt es sich typischerweise ebenfalls um Luft, die beispielsweise über die Ansaugöffnung 46 im Bereich der Fahrzeugfront angesaugt werden kann und durch eine weitere Öffnung 47 nach der Erwärmung im Hochdruckwärmetauscher 27, beispielsweise an der Unterseite der Kältemaschine 7 in den Motorraum, abgegeben werden kann.
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Wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, können über die Lebenszeit des Kraftfahrzeugs 1 hinweg hinreichend große Kältemittelverluste auftreten, dass die Kühlleistung der Kältemaschine 7 merklich sinken kann. Somit kann es erforderlich oder zumindest vorteilhaft sein, den Kältemittelfüllstand wieder auf den optimalen Stand zu bringen. Dies soll jedoch, um unnötig hohe Kosten zu vermeiden, nur dann erfolgen, wenn es tatsächlich erforderlich ist. Zudem soll vorteilhaft nur jene Menge an Kältemittel nachgefüllt werden können, die tatsächlich erforderlich ist und es soll nicht, wie es momentan erforderlich ist, ein vollständiger Evakuierungs- und Befüllzyklus durchlaufen werden.
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Da es technisch jedoch nicht wirtschaftlich möglich ist, die tatsächlich im Kältemittelkreislauf 23 befindliche Menge des Kältemittels 24 zu messen, wird stattdessen durch eine Steuereinrichtung 8 des Kraftfahrzeugs 1, die insbesondere Teil der Klimaanlage 2 bzw. deren Regelung sein kann, auf Basis von mehreren Betriebsparametern des Kältekreises eine Füllstandsinformation ermittelt, die die Kältemittelfüllmenge betrifft. Die Füllstandsinformation kann hierbei die absolute Kältemittelfüllmenge beschreiben, es kann jedoch vorteilhaft sein, stattdessen eine Füllstandsinformation zu ermitteln, die eine Abweichung der Kältemittelfüllmenge von einer anfänglichen Füllung, also im Betrieb aufgetretene Verluste, beschreibt.
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Bei Erfüllung einer Hinweisbedingung, also insbesondere wenn ermittelt wird, dass ein Kältemittelmangel oder eine Kältemittelüberfüllung vorliegt, kann eine Hinweiseinrichtung 9 angesteuert werden, um einen Hinweis an den Nutzer 6 zu geben. Die Hinweiseinrichtung 9 kann beispielsweise ein Display oder eine Warnleuchte sein, um dem Nutzer 6 einen optischen Hinweis zu geben, oder einen Lautsprecher, um einen akustischen Hinweis auszugeben. Ergänzend oder alternativ kann über die Hinweiseinrichtung 31 ein Hinweis an die externe Einrichtung 10 gegeben werden. Die Hinweiseinrichtung 31 kann beispielsweise eine Kommunikationseinrichtung zur Mobilfunkkommunikation sein, über die beispielsweise eine Werkstatt oder ein System des Herstellers über die erforderliche Kältemittelnachfüllung oder die Kältemittelmengenbeeinträchtigung informiert werden kann. Ein entsprechender Hinweis kann auch die Füllstandsinformation bzw. eine hieraus ermittelte Information, die eine Abweichung der Kältemittelmenge von einem Sollstand betrifft, umfassen.
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Das durch die Steuereinrichtung 8 implementierte Verfahren zur Überwachung der Kältemittelfüllmenge wird im Folgenden mit Bezug auf 2 näher erläutert. Hierbei werden mehrere Betriebsparameter 11 der Kältemaschine erfasst und durch einen Algorithmus 18 wird in Abhängigkeit dieser Betriebsparameter 11 die Füllstandsinformation 20 ermittelt. Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erläutert wurde, kann der Algorithmus 18 für einen im Wesentlich stationären Zustand der Kältemaschine optimiert bzw. trainiert sein, so dass nicht stationäre Zustände bzw. Sprünge der Betriebsparameter 11 zu deutlichen Sprüngen in der Füllstandsinformation 20 führen können, die nicht mit tatsächlichen Variationen des Kältemittelfüllstandes korrelieren. Um dieses Verhalten zu dämpfen, kann nach einer wiederholten Ermittlung der Füllstandsinformation 20 ein insbesondere gewichteter Mittelwert 21 der zuletzt erfassten Füllstandsinformationen 20 ermittelt werden und die Hinweisbedingung 22 kann diesen Mittelwert 21 auswerten.
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Es wurde erkannt, dass eine Berücksichtigung der Temperatur des Kältemittels nach der Kompression durch den Kompressor, also der Temperatur im Abschnitt 48 des Kältemittelkreislaufs 23, überraschenderweise die Genauigkeit der Ermittlung der Kältemittelfüllmenge reduzieren kann. Aufgrund der im Ausführungsbeispiel auftretenden Trägheit dieser Größe würde eine Berücksichtigung dieser Größe das Ergebnis verfälschen. Stattdessen wird zur Abschätzung der Kältemittelfüllmenge ergänzend die Temperatur 12 des Wärmetauschmediums 28 vor dessen Erwärmung durch den Hochdruckwärmetauscher 27 herangezogen. Diese Temperatur kann insbesondere über einen Temperatursensor 32 im Bereich der Luftzuführung zum Hochdruckwärmetauscher 27 erfasst werden.
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In 2 ist daher eine Berücksichtigung von insgesamt sechs Betriebsparametern 11 dargestellt, wobei sich die gezeigte Kombination von auszuwertenden Betriebsparametern 11 als besonders zweckmäßig herausgestellt hat. Bei diesen Betriebsparametern 11 handelt es sich um die Temperatur 12 des Wärmetauschmediums 28 vor dessen Erwärmung durch den Hochdruckwärmetauscher 27, die durch den Temperatursensor 32 erfasst werden kann, also insbesondere um die Temperatur der einströmenden Luft bzw. die Umgebungstemperatur, den Druck 13 des Kältemittels 24 vor der Kompression durch den Kompressor 25, der durch den Drucksensor 33 erfasst werden kann, den Druck 14 des Kältemittels 24 nach der Kompression durch den Kompressor 25, der durch den Drucksensor 34 erfasst werden kann, eine Temperatur 15 des Kältemittels 24 vor der Kompression durch den Kompressor 25, die durch den Temperatursensor 45 erfasst werden kann, eine Drehzahl 16 des Kompressors 25 und eine dem Kompressor 25 zugeführte elektrische Leistung 17.
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Die Drehzahl des Kompressors 25 kann ohnehin in der Steuereinrichtung 8 bekannt sein, da sie für die Motorsteuerung des Kompressors 25 relevant sein kann. Alternativ kann sie über einen im Kompressor 25 integrierten Drehzahlsensor 35 erfasst werden. Die dem Kompressor 25 zugeführte Leistung 17 kann beispielsweise bei bekannter Betriebsspannung mithilfe eines Stromsensors 36 ermittelt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass zusätzlich die Spannung gemessen wird, um die Leistung vollständig sensorisch zu erfassen, oder dass die zugeführte Leistung in der Steuereinrichtung 8 auf Basis von bekannten Ansteuerparametern ermittelt wird.
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Der Algorithmus 18 ist im gezeigten Beispiel ein Algorithmus, der durch ein Verfahren des maschinellen Lernens parametrisiert ist. Hierbei wird ein überwachtes Lernen genutzt, um ein neuronales Netzwerk 41 mithilfe von Trainingsdaten 19 zu trainieren. Hierbei können optional rückgekoppelte neuronale Netze zum Einsatz kommen. Ein möglicher Trainingsdatensatz kann hierbei einen Satz Betriebsparameter 11 und die bei Vorliegen dieses Satzes der Betriebsparameter 11 in einem Kraftfahrzeug tatsächlich vorhandenen Kältemittelfüllmengen bzw. eine Abweichung dieser Kältemittelfüllmengen von einer vorgegebenen Anfangsfüllung beschreiben.
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Verfahren zum Training von neuronalen Netzen mithilfe von Trainingsdaten sind wohlbekannt und sollen daher nicht detailliert beschrieben werden. Beispielsweise kann eine Fehlerrückführung verwendet werden, bei der die Parameter des neuronalen Netzes 41 in Abhängigkeit von Abweichungen der ermittelten Füllstandsinformation 20, die durch das neuronale Netz 41 auf Basis von in dem Trainingsdatensatz enthaltenen Betriebsparametern ermittelt wurde, von der im Trainingsdatensatz tatsächlich enthaltenen Füllstandsinformation ermittelt werden, wobei zur Ermittlung eine vorgegebene Verknüpfung von mehreren künstlichen Neuronen 42 verwendet wird.
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Das neuronale Netz 41 umfasst mehrere künstliche Neuronen 42, im Beispiel sechs künstliche Neuronen 42. Ein künstliches Neuron 42 wird typischerweise so implementiert, dass eine gewichtete Addition mehrerer Eingangsgrößen erfolgt, um eine Zwischengröße zu ermitteln, auf die anschließend eine nichtlineare Aktivierungsfunktion angewandt wird, um Ausgangsdaten bereitzustellen. Als Eingangsdaten eines einzelnen künstlichen Neurons können alle Betriebsparameter 11 oder Teile der Betriebsparameter 11 dienen und/oder Ausgangsdaten anderer künstlicher Neuronen 42. Gewichtungsfaktoren für die verschiedenen Eingangsdaten des jeweiligen künstlichen Neurons können als Parameter im Rahmen des maschinellen Lernens erlernt werden. Als Ausgangsdaten der künstlichen Neuronen 24 kann insbesondere die Füllstandsinformation 20 ermittelt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass zur Ermittlung der Füllstandsinformation eine vorgegebene Verknüpfung von Ausgangsdaten von mehreren der künstlichen Neuronen 42 verwendet wird.
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Eine Auswertung einer nichtlinearen Aktivierungsfunktion kann relativ rechenaufwändig sein. Um dennoch eine Implementierung des in 2 gezeigten Verfahrens und insbesondere des neuronalen Netzes 41 durch eine Steuereinrichtung 8 einer üblichen Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug zu ermöglichen, wird die Aktivierungsfunktion 43 der einzelnen künstlichen Neuronen 42 durch eine Wertetabelle 44 approximiert, in der einander zugeordnete Paare von Zwischengrößen und Ausgangsdaten gespeichert sind. Im einfachsten Fall können hierbei jeweils jene Ausgangsdaten gewählt werden, die über die Wertetabelle der Zwischengröße zugeordnet sind, die der tatsächlich ermittelten Zwischengröße am nächsten kommt. Vorzugsweise erfolgt jedoch eine lineare Interpolation zwischen den in der Wertetabelle 44 gespeicherten Werten. Hierdurch wird ein guter Kompromiss zwischen einer geringen erforderlichen Rechenleistung und einer guten Rechengenauigkeit erreicht.
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4 zeigt beispielhaft eine Validierung der Ergebnisse eines wie obig erläutert trainierten Algorithmus 18 mit sechs künstlichen Neuronen 42, wobei Validierungsdatensätze verwendet werden, die die jeweils erfasste Betriebsparameter 11 sowie als Füllstandsinformation die Kältemittelfüllmenge in Gramm beschreiben. Hierbei ist auf der X-Achse 37 die fortlaufende Nummer des jeweiligen Validierungsdatensatzes angegeben und auf der Y-Achse 38 die Füllstandsinformation. Die gestrichelte Linie 39 zeigt die im jeweiligen Validierungsdatensatz gespeicherte Füllstandsinformation, während die durchgezogene Linie 40 die auf Basis der Betriebsparameter 11 des jeweiligen Validierungsdatensatzes durch den Algorithmus 18 berechnete Füllstandsinformation zeigt.
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Wie in 4 gut zu erkennen ist, wird die tatsächliche Kältemittelfüllmenge bzw. Füllstandsinformation durch die durch den Algorithmus 18 ermittelte Füllstandsinformation zumindest im zeitlichen Mittel sehr gut angenähert. Die in 4 ebenfalls zu erkennenden merklichen Abweichungen der Linie 40 von der Linie 39 resultieren insbesondere daraus, dass ein für stationäre Betriebszustände der Kältemaschine 7 trainierter Algorithmus 18 auf Betriebsparameter 11 angewandt wird, die in nicht stationären Zuständen ermittelt wurden. Wie bereits obig erläutert, können die hierdurch resultierenden Ausschläge der Füllstandsinformation 20 und somit der Line 40 durch eine insbesondere gewichtete Mittelwertbildung mehrerer zuletzt ermittelter Füllstandsinformationen 20 zumindest weitgehend eliminiert werden, so dass im tatsächlichen Betrieb noch eine erheblich bessere Genauigkeit erreicht wird, als dies für die in 4 gezeigten, nicht gemittelten Füllstandsinformationen der Fall ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013019498 A1 [0005, 0008]
- DE 102013019458 [0016]
