DE112021000304T5

DE112021000304T5 - Auf thermophysiologie basierendes mikroklima-steuerungssystem

Info

Publication number: DE112021000304T5
Application number: DE112021000304.6T
Authority: DE
Inventors: Vladimir Jovovic; Alan Chewter; Ankit Tiwari
Original assignee: Gentherm Inc
Current assignee: Gentherm Inc
Priority date: 2020-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2022-10-27
Also published as: WO2021158856A1; US20230036016A1; JP2023516892A; JP7493043B2; KR20220110298A; CN115052764A

Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung einer Mikroklima-Umgebung für Fahrgäste, umfassend die Schritte: Bestimmung einer Wärmebilanz bei einem Fahrgast in einer Mikroklima-Umgebung in Abhängigkeit von einem Wärmemodell der Wärmeübertragungseffekte auf den Fahrgast, Schätzung eines thermischen Gesamtempfindens des Fahrgastes in Abhängigkeit von der Wärmebilanz, Referenzierung eines thermischen Soll-Gesamtempfindens des Fahrgastes, Berechnung eines Fehlers zwischen dem geschätzten thermischen Gesamtempfinden und dem thermischen Soll-Gesamtempfinden sowie Steuerung mindestens eines thermischen Effektors in mindestens einer Zone in der Mikroklima-Umgebung, um den Fehler im thermischen Gesamtempfinden zu reduzieren und dabei alle Effektoren innerhalb der Temperatur- und Durchflussgrenzen aufrechtzuerhalten, bei denen Fahrgast-Behaglichkeit gewährleistet ist.

Description

QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 5. Februar 2020 eingereichten provisorischen US-Anmeldung Nr. 62/970,409 , die durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Bei herkömmlichen HVAC-Systemen (Heating, Ventilation and Air Conditioning, deutsch: Heizung, Lüftung und Klimatisierung) oder Klimasystemen in Kraftfahrzeugen greift das Steuerungssystem auf die Temperaturwerte von an verschiedenen Stellen im Fahrgastraum angebrachten Sensoren zu oder berechnet die Temperatur anhand eines Wärmemodells für den Fahrgastraum. Aufgrund ihres schnellen Erreichens von Behaglichkeit und ihres geringeren Energieverbrauchs im Vergleich zu früheren Systemen erfreuen sich sitzbasierte Mikroklima-Systeme seit einigen Jahren zunehmender Beliebtheit.
Sitzbasierte Mikroklima-Systeme für Kraftfahrzeuge weisen zahlreiche konduktive, konvektive und radiative Einrichtungen auf, zum Beispiel Heizmatten, thermoelektrische Geräte, Kaltleiter (PTCs: Positive Temperature Coefficient Thermistors, deutsch: Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten), Gebläse, Minikompressor-Systeme sowie Flächenheizstrahler in den Sitzen und im umliegenden Bereich. Um lokale thermische Behaglichkeit zu erreichen, ist es zur Steuerung der lokalen Heiz- und Kühleinrichtung wichtig, die lokalen effektiven Temperaturen und Wärmeübertragungsraten an den menschlichen Körper genau berechnen zu können, was allerdings mit den gebräuchlichen Systemen schwierig ist.
Bei den gebräuchlichen Verfahren für sitzbasierte Mikroklima-Systeme in Kraftfahrzeugen handelt es sich um diskrete An-/Aus-Steuerungen oder modulierte Leistungsregelungen (PWM) für jede einzelne Einrichtung, die in dem jeweiligen Fahrzeug vorhanden ist (zum Beispiel Sitzheizung, Gebläsegeschwindigkeit und Temperatur der zentralen Klimaanlage, Nackenklimaanlage etc.), basierend auf festen Temperatur-Sollwerten (üblicherweise 3 bis 5 diskrete Stufen). Zur Anpassung an veränderte Bedingungen im Fahrzeug und im menschlichen Körper wählt der Fahrgast manuell einen dieser vorgegebenen Temperatur-Sollwerte aus. Da es sich um diskrete Stufen handelt, muss der Bediener außerdem gegebenenfalls auf der Suche nach einer nicht verfügbaren Einstellung zwischen den Stufen hin- und herwechseln. Es ist daher wünschenswert, ein Fahrzeug mit einem automatisierten Mikroklima-System auszustatten, das thermische Fahrgast-Behaglichkeit schafft und dabei wenig oder gar keinen Steuerungsaufwand seitens des Fahrgastes und keine manuelle Abstimmung seitens des Benutzers zur Steuerung der verschiedenen Einrichtungen im Fahrzeug über den Zeitverlauf oder unter veränderten Umgebungsbedingungen erfordert.
ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zur Steuerung einer Mikroklima-Umgebung eines Fahrgastes die Bestimmung einer Wärmebilanz bei einem Fahrgast in einer Mikroklima-Umgebung in Abhängigkeit von einem Wärmemodell der Wärmeübertragungseffekte auf den Fahrgast, die Schätzung eines thermischen Gesamtempfindens des Fahrgastes in Abhängigkeit von der Wärmebilanz, die Referenzierung eines thermischen Soll-Gesamtempfindens des Fahrgastes, die Berechnung eines Fehlers zwischen dem geschätzten thermischen Gesamtempfinden und dem thermischen Soll-Gesamt-Temperaturempfinden und die Steuerung mindestens eines thermischen Effektors in mindestens einer Zone in der Mikroklima-Umgebung, um so den Fehler im thermischen Gesamtempfinden zu reduzieren und dabei alle Effektoren innerhalb der Temperatur- und Durchflussgrenzen aufrechtzuerhalten, bei denen Fahrgast-Behaglichkeit gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen ist die Wärmebilanz eine Summe aus Konvektion, Konduktion und Strahlung, die auf den Fahrgast entsprechend seines Wärmeverlustes einwirken.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen wird die Wärmebilanz in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs, der Temperatur im Fahrgastraum und Informationen über den Fahrgast berechnet.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen umfassen die Informationen über den Fahrgast mindestens drei der folgenden Kriterien: Gewicht, Körpergröße, Geschlecht und Kleidung des Fahrgastes.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen umfasst die Wärmebilanz die Wärmeeinbringung des mindestens einen thermischen Effektors in der mindestens einen Zone. Die Wärmeeinbringung wird als eine Übertragungsfunktion des mindestens einen thermischen Effektors bereitgestellt.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen wird die Wärmebilanz des Fahrgastes anhand einer homogenen Äquivalenttemperatur (EHT: Equivalent Homogeneous Temperature) ermittelt.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen wird das geschätzte thermische Gesamtempfinden (OTSest) durch die Gleichung $O T S e s t = \frac{6}{1 + exp (- A \times (H e a t L o s s_{B o d y} + B))} - 3$
dargestellt.
HeatLoss_Body entspricht der Wärmestromdichte des Fahrgastes in der Mikroklima-Umgebung, und A und B sind Koeffizienten, die in Beziehung stehen zu saisonalen Effekten auf die Wärmestromdichte.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen werden das geschätzte thermische Empfinden des Fahrgastes und das thermische Soll-Empfinden des Fahrgastes mittels einer Skala der erwarteten durchschnittlichen Empfindung (PMV: Predicted Mean Vote) quantifiziert.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen ist das thermische Soll-Empfinden als ein Standardwert vorgesehen, der durch gegebenenfalls vom Fahrgast über eine Klimasteuerung eingegebene manuelle Einstellungen angepasst wird.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen ist der Fehler eine Differenz zwischen dem thermischen Soll-Empfinden des Fahrgastes und dem geschätzten thermischen Empfinden des Fahrgastes. Ein positiver Fehler ist ein Indikator für einen kühlen Fahrgast, und ein negativer Fehler ist ein Indikator für einen warmen Fahrgast. Bei einem positiven Fehler wird der mindestens eine thermische Effektor zum Wärmen des Fahrgastes aktiviert, und die anderen thermischen Effektoren, die zum Kühlen des Fahrgastes verwendet werden, sind inaktiv. Bei einem negativen Fehler wird der mindestens eine thermische Effektor zum Kühlen des Fahrgastes aktiviert, und die anderen thermischen Effektoren, die zum Wärmen des Fahrgastes verwendet werden, sind inaktiv.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen umfasst die mindestens eine Zone mehrere Zonen. Jede der mehreren Zonen weist mindestens einen thermischen Effektor auf.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen umfassen die mehreren Zonen mindestens drei der folgenden Zonen: eine Kopfzone, eine Sitzrücklehnenzone, eine Sitzpolsterzone, eine Hand- und Armzone sowie eine Fuß- und Beinzone.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen umfasst der mindestens eine thermische Effektor mindestens drei der folgenden Einrichtungen: einen klimatisierten Sitz, eine Kopfstützen- bzw. Nackenklimaanlage, einen klimatisierten Fahrzeughimmel, ein Lenkrad, einen beheizten Schaltknüppel, eine Türverkleidung, eine Heizmatte und ein Minikompressor-System.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen wird der Schritt der Berechnung für jede der mehreren Zonen durchgeführt. Der Schritt der Steuerung mittels des thermischen Effektors wird in jeder der mehreren Zonen durchgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen wird die Wärmebilanz des Fahrgastes anhand einer homogenen Äquivalenttemperatur ermittelt. Der Schritt der Schätzung verwendet die homogene Äquivalenttemperatur, um das geschätzte thermische Gesamtempfinden zu ermitteln.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen werden über den Schritt der Berechnung verschiedene Fehler in den mehreren Zonen ermittelt. Der Schritt der Steuerung führt zu unterschiedlichem Heizen und/oder Kühlen in den mehreren Zonen.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen umfasst das Verfahren mehrere in der Mikroklima-Zone angeordnete thermische Effektoren. Der Schritt der Steuerung wird in Abhängigkeit von einer Rangfolge der Energieeffizienz der mehreren thermischen Effektoren durchgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen ist ein Regler dazu konfiguriert, das Verfahren durchzuführen.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen ist der Regler in ein Sitzsystem integriert.
In einer weiteren Ausführungsform einer der vorhergehenden Beschreibungen ist das Sitzsystem in ein Fahrzeug integriert.
Figurenliste

In 1 ist ein thermisches Klimatisierungssystem schematisch dargestellt, das ein HVAC-System und ein thermisches Mikroklima-Klimatisierungssystem umfasst.
In 2 ist eine auf Thermophysiologie basierende Softwarearchitektur für das offenbarte thermische Klimatisierungssystem offenbart.
2A ist ein Beispiel für eine Steuerung eines Nackenwärmers mittels eines konvektiven Wärmeübertragungsmodells zur Verwendung in dem in 2 gezeigten System.
In 2B ist eine Übertragungsfunktion für die Steuerung des in 2A gezeigten Nackenwärmers dargestellt.
In 2C sind verschiedene Inputs in die Energiebilanz für konduktive, konvektive und radiative Lastmodelle für die in 2 dargestellte Architektur abgebildet.
3 stellt ein Ablaufdiagramm dar, das ein Beispiel eines Verfahrens zur Steuerung einer Mehrzahl von thermischen Mikroklima-Effektoren abbildet.
Das Diagramm in 4 stellt die Anordnung der 4A, 4B und 4C dar.
Die 4A-C sind Teilbereiche eines kombinierten Diagramms, das eine beispielhafte Anordnung zur Bestimmung des thermischen Gesamtempfindens (OTS: Overall Thermal Sensation) eines Fahrgastes in einem Fahrzeug darstellt.
Das Diagramm in 5 stellt eine beispielhafte Anordnung zur Bestimmung eines korrigierten Temperatur-Sollwertes dar.
Das Diagramm in 6 stellt einen beispielhaften potenziellen Effekt der Sonnenlast auf das OTS dar.
Das Diagramm in 7 bildet beispielhaft mögliche saisonale Schwankungen im thermischen Gesamtempfinden (OTS) eines Fahrgastes in einem Fahrzeug ab.

Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorhergehenden Absätze, der Ansprüche oder der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen, einschließlich jeglicher ihrer unterschiedlichen Aspekte oder jeweiliger einzelner Merkmale, können unabhängig voneinander für sich oder in einer beliebigen Kombination stehen. Merkmale, die in Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben sind, gelten für alle Ausführungsformen, es sei denn, diese Merkmale sind nicht kompatibel.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Kraftfahrzeughersteller möchten den Fahrgästen in Fahrzeugen automatisch thermische Behaglichkeit bieten, ohne dass der Fahrgast die Temperatureinstellungen anpassen muss oder anderweitig die Einrichtungen und/oder Kombinationen von Einrichtungen manuell steuern muss, um thermische Fahrgast-Behaglichkeit zu erreichen. Ein beispielhaftes System zur Steuerung einer Mikroklima-Umgebung für den Fahrgast berücksichtigt die Stellen innerhalb des Fahrzeugs, an denen sich Sitze und Fahrgäste befinden, anhand der Fahrgastposition innerhalb des Fahrzeugs (das heißt Vorder- oder Rücksitzbank, links oder rechts) als einen Schlüsselfaktor zur Bestimmung der thermischen Behaglichkeit für jeden Fahrgast. Falls eine Vereinfachung des Steuerungsschemas gewünscht wird, kann auch der Fahrersitz als „Vorlage“ für die Stelle dienen, für die das System die thermische Behaglichkeit des Fahrgastes bestimmt, während die anderen Sitzplätze innerhalb des Fahrzeugs dann abhängig von der Stelle des Sitzplatzes des Fahrers sind.
In 1 ist ein thermisches Klimatisierungssystem 10 schematisch dargestellt, das ein HVAC-System 12 und ein thermisches Mikroklima-Klimatisierungssystem (MTCS: Microclimate Thermal Conditioning system) 14 umfasst. Das HVAC-System 12 umfasst einen Motor 16, der einen Ventilator 18 antreibt, wobei der Ventilator 18 Luft durch einen Wärmetauscher 20 führt, um den Fahrgastraum 24 im Fahrzeug mit thermisch klimatisierter Luft 22 zu versorgen. Ein Fahrgastraum-Temperatursensor 26 stellt Temperaturinformationen für einen HVAC-Regler 28 bereit, der betätigt werden kann, um den Betrieb des Motors 16 in Abhängigkeit von den Temperaturmesswerten des Fahrgastraum-Temperatursensors 26 einzustellen. Der HVAC-Regler 28 kann auch dazu ausbildet sein, zum Beispiel Informationen von einem Außenluft-Temperatursensor 30 sowie von einem oder mehreren zusätzlichen Sensoren 32 zu erhalten.
Der HVAC-Regler 28 regelt den Betrieb des HVAC-Systems 12 auf einen Temperatur-Sollwert, der typischerweise durch den Fahrgast im Fahrzeug manuell eingestellt wird. Das zentrale HVAC-System 12 ist nicht hinreichend dazu ausgelegt, in jedem Fall thermische Behaglichkeit für jeden einzelnen Fahrgast an jeder Stelle zu erzielen, so dass das MTCS 14 dazu vorgesehen ist, ein individuelles Mikroklima für jeden Fahrgast im Fahrgastraum 24 herzustellen und damit eine bessere thermische Gesamt-Fahrgast-Behaglichkeit zu bieten.
Das MTCS 14 kann eine Vielzahl von diskreten Fahrgast-Mikroklima-Zonen bzw. individuell angepassten, sogenannten Fahrgast-Personalisierungs-Zonen (OPZs: Occupant Personalization Zones) aufweisen. Gemäß ISO 145045-2:2006 (E) kann ein menschlicher Körper in unterschiedliche Körperbereiche unterteilt werden, zum Beispiel Hand-, Kopf- oder Brustbereich, und jeder dieser Körperbereiche kann jeweils einen anderen Temperaturbereich für thermische Behaglichkeit aufweisen. In 1 sind die fünf Zonen für Kopf, Rücken, Sitzpolster (Oberschenkel und Gesäß), Fuß und Bein sowie Arm und Hand beispielhaft aufgeführt. Nach Wunsch können weniger, mehr oder andere Zonen verwendet werden.
Weiterhin umfasst das MTCS 14 in 1 eine Mehrzahl diskreter, jeweils in einer jeweiligen OPZ 42A-E angeordneter thermischer Mikroklima-Effektoren 40A-E. In dem Beispiel von 1 umfassen die OPZs 42 eine Kopfzone 42A, eine Rückenzone 42B, eine Hand- und Armzone 42C, eine Sitzpolsterzone 42D sowie eine Fuß- und Beinzone 42E. Es gibt eine Vielfalt von OPZs 42A-E, die in verschiedenen Fahrzeugen genutzt werden können. In einer beispielhaften Ausführungsform sind mindestens drei der folgenden Zonen vorgesehen: Kopfzone 42A, Rückenzone 42B, Hand- und Armzone 42C, Sitzpolsterzone 42D sowie Fuß- und Beinzone 42E.
Jede OPZ 42 stellt für eine spezifische Zone, mit der ein jeweiliger Fahrgast im Fahrzeug in Kontakt ist, ein Mikroklima bereit. Ein in 1 gezeigter Fahrgast 50 des Fahrzeugs ist ein Fahrer mit Zugang zu einem Lenkrad. Es ist anzunehmen, dass für weitere Fahrgäste in dem Fahrzeug kein Lenkrad vorhanden ist, wohl aber kann es andere Einrichtungen und Faktoren geben, die das Klima in der jeweiligen Zone beeinflussen, zum Beispiel beheizte oder gekühlte Oberflächen, Flächenheizstrahler, HVAC-Öffnungen, Sonnenlasten etc. Die Software ist für jede der mit 42A-E gekennzeichneten OPZs derart konfiguriert, dass alle Verfahren und Arten der auf die jeweilige Zone einwirkenden Wärmeübertragung, sowohl gesteuerte Effektoren inklusive des HVAC-Systems als auch ungesteuerte Lasten wie Sonneneinstrahlung, thermodynamisch berücksichtigt werden. Das Klima in der jeweiligen Zone wird dann entsprechend des tatsächlichen klimatischen Zustands in der Zone im Abgleich mit dem gewünschten klimatischen Zustand in der Zone gesteuert. Obwohl nur ein einziger thermischer Mikroklima-Effektor 40 in jeder OPZ 42 dargestellt ist, versteht es sich, dass eine OPZ 42 auch jeweils mehrere thermische Effektoren 40 umfassen kann.
In jeder OPZ können auch unterschiedliche thermische Effektoren eingesetzt werden, zum Beispiel elektrische Widerstandsheizungen, thermoelektrische Einrichtungen, die mittels Peltier-Effekt heizen oder kühlen, oder konvektive thermische Klimatisierungseinrichtungen, die für Luftströmung sorgen (zum Beispiel Luftströmung vom Inneren des Fahrzeugsitzes zur OPZ 42), etc. Beispielhafte thermische Effektoren, die zum Erzielen eines individuell angepassten Mikroklimas in dem System 10 eingesetzt werden können, umfassen unter anderem zum Beispiel klimatisierte Sitze (siehe beispielsweise U.S.-Patentnummern 5,524,439 und 6,857,697), eine in die Kopfstütze oder die obere Sitzrücklehne integrierte Nackenklimaanlage (siehe beispielsweise Provisorische U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/039,125 ), einen klimatisierten Fahrzeughimmel (siehe beispielsweise Provisorische U.S.-Patentanmeldung Nr. 61/900334 ), eine klimatisierte (zum Beispiel beheizte) Türverkleidung und/oder Instrumententafel, ein beheiztes Lenkrad (siehe beispielsweise U.S.-Patentnummer 6,727,467 und U.S. Pub.-Nr. 2014/0090513 ), einen beheizten Schaltknüppel (siehe beispielsweise U.S.-Pub. Nr. 2013/0061603 etc.), ein intelligentes thermisches Mikromodul, auch „iMTM“ (Intelligent Microthermal Module) genannt (siehe beispielsweise Internationale Patentanmeldung Nr. WO202011290 ), Heizmatten (die in Sitze und andere Oberflächen, die den Fahrgast 50 umgeben oder in Kontakt mit ihm sind, integriert sein können), ein Minikompressor-System, das dazu konfiguriert ist, durch konvektive Wärmeübertragung von gekühlter und klimatisierter Luft einen thermischen Effekt zum Fahrgast 50 im Fahrzeug zu befördern (siehe beispielsweise Internationale Patentanmeldung Nr. WO2018049159A1 ), und/oder einen in der Sitzrücklehne oder im Sitzpolster befindlichen konvektiven thermischen Effektor, der zum Heizen oder Kühlen geeignet ist.
Wie aus 1 ersichtlich ist, wird das HVAC-System eingesetzt, um im Fahrgastraum des Fahrzeugs die Luft zu klimatisieren und die Temperatur der Luftmasse innerhalb des Fahrzeugraums zu steuern (2, Tcabin). Ein typisches HVAC-System hat ein Leitungssystem, das den Fahrgastraum mit klimatisierter Luft versorgt mittels eines Gebläses, das Luft entlang eines Wärmetauschers leitet. Ein Sensor überwacht die Temperatur der klimatisierten Luft im Fahrgastraum, und ein Regler reguliert den Betrieb des HVAC-Systems auf einen Sollwert für Geschwindigkeit (2, Vset) und auf einen für Temperatur (2, Tset), die typischerweise manuell durch den Fahrgast eingestellt wird. Das zentrale HVAC-System ist nicht hinreichend dazu ausgelegt oder nicht dazu geeignet, in jedem Fall die optimale thermische Behaglichkeit für jeden einzelnen Fahrgast an jeder Stelle zu erzielen, so dass Mikroklima-Einrichtungen oder thermische Effektoren eingesetzt werden, um ein individuelles Mikroklima für jeden Fahrgast im Fahrgastraum herzustellen und damit eine bessere thermische Gesamt-Fahrgast-Behaglichkeit zu bieten. Eine weitere Herausforderung bei der Bereitstellung eines effektiven Klimatisierungssystems ist, dass üblicherweise jeder Fahrgast individuelle Präferenzen bezüglich der persönlichen Behaglichkeit hat. Das bedeutet, dass jeder Fahrgast eine unterschiedliche Wahrnehmung des thermischen Energieniveaus hat. Daraus ergibt sich, dass exakt die gleiche thermische Umgebung innerhalb eines Fahrzeugs von dem einen Fahrgast als angenehm empfunden werden kann, während ein anderer Fahrgast sie als unangenehm empfindet. Als Lösung sieht die vorliegende Offenbarung vor, dass jeder Fahrgast einige manuelle Einstellungen am Klimatisierungssystem vornehmen kann (2; dV _setZone, dV_setZone) durch die koordinierte Steuerung sowohl eines zentralen HVAC-Systems oder jedes anderen thermischen Steuerungssystems im Auto als auch verschiedener thermischer Mikroklima-Effektoren.
Es gibt in einem Fahrzeug zahlreiche Heiz- und Kühlquellen, die die thermische Behaglichkeit des Fahrgastes beeinflussen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der kumulative Effekt verschiedener Heiz- und Kühlquellen anhand einer homogenen Äquivalenttemperatur (EHT: Equivalent Homogeneous Temperature) im Fahrgastraum dargestellt werden. Die EHT stellt die gesamten thermischen Effekte der Umgebung auf einen Fahrgast als ein Maß des in einem thermischen Gesamtempfinden des gesamten Körpers resultierenden trockenen Wärmeverlustes des Fahrgastes dar. Die EHT berücksichtigt die konvektiven und radiativen Wärmeübertragungseffekte auf den Fahrgast und führt diese Effekte in einem einzigen Wert zusammen, der sich besonders für die Modellierung inhomogener thermischer Umgebungen eignet. Ein Berechnungsbeispiel der EHT ist dargestellt in Han, Taeyoung und Huang, Linjie, „A Model for Relating a Thermal Comfort Scale to EHT Comfort Index“, SAE Technical Paper 2004-01-0919, 2004. In diesem SAE-Paper, das durch Bezugnahme vollumfänglich hier aufgenommen ist, wird erläutert, wie die modellierte thermische Umgebung durch die Lufttemperatur auf „Atemhöhe“, mittlere Strahlungstemperatur (MRT: Mean Radiant Temperature), Luftgeschwindigkeit innerhalb des Fahrgastraums, Solarlast und relative Luftfeuchtigkeit beeinflusst wird. Allerdings wird die konduktive Wärmeübertragung in der EHT-Berechnung in diesem Paper nicht berücksichtigt. Im vorliegenden thermophysiologischen Algorithmus wurde das Berechnungsschema der EHT so modifiziert, dass die konduktive Wärmeübertragung vom Sitz und anderen Kontaktflächen berücksichtigt wird.
Um eine Gesamt-Fahrgastraum-Temperatur (2, Tcabin) zu erreichen, klimatisiert das HVAC-System eines Fahrzeugs die Luftmasse innerhalb des Fahrgastraums. Weitere Umwelteinflüsse auf die Mikroklima-Umgebung sind unter anderem die Umgebungstemperatur des Fahrzeugs (2, Tambient) und die Solarlast auf dem Fahrzeug (2, Solarlast). Diese Einflüsse werden in dem offenbarten System 10 berücksichtigt (siehe 4A, 214). Eine beispielhafte Anwendung von EHT zum Erzielen von thermischer Fahrgast-Behaglichkeit ist beschrieben in der Provisorischen US-Anmeldung Nr. 62/951,289 mit dem Titel „AUTOMATIC SEAT THERMAL COMFORT CONTROL SYSTEM AND METHOD“, eingereicht am 20. Dezember 2019, die durch Bezugnahme vollumfänglich hier aufgenommen sind.
Wie in 2 gezeigt, werden sowohl die Input-Parameter des Fahrzeugs als auch die „Climatesense“-Systemdaten der thermischen Effektoren mittels der Übertragungsfunktionen 199 Übersetzt, um den Input jedes thermischen Effektors und des HVAC-Systems in das physikalische Modell 201 für die Gleichung der Wärmeübertragungsbilanz zu bestimmen. Für jede Übertragungsfunktion werden gegebenenfalls der Energieverbrauch 199a, die Energieabgabe 199b und der Massendurchfluss 199c berücksichtigt.
Die Input-Parameter, die über den Kommunikationsbus des Fahrzeugs kommuniziert werden, umfassen beispielsweise die Fahrzeugkonfiguration (Anpassungen für Geometrie und Stellen, an denen sich verschiedene Komponenten befinden), Fahrzeugzustände (Variablen der Solarlast (siehe beispielsweise radiatives Lastmodell in 2C); Temperatur im Fahrgastraum, T_cabin; Temperatur außerhalb des Fahrzeugs, T_ambient), Nutzerprofile (Körpergröße, Gewicht, Geschlecht des Fahrgastes), Nutzerpräferenzen (Nutzeränderung des Temperatur-Sollwertes für eine Zone, dT_setZone; Nutzeränderung des Gebläse-Sollwertes für eine Zone, dT_setZone) sowie aktuelle HVAC-Betriebsmodi (Temperatur-Sollwert für eine Zone, T_set; Gebläse-Sollwert für eine Zone, Vset). Die Mikroklimaparameter umfassen die Parameter des Sitzes (Temperatur der Oberfläche der Sitzrücklehne, T_seat; Temperatur der Oberfläche des Sitzpolsters, T_cushion; Geschwindigkeit des Gebläses der Sitzrücklehne, V_seat; Geschwindigkeit des Gebläses des Sitzpolsters, V_cushion), die Parameter des Nackenwärmers (Temperatur der Luft des Nackenwärmers, T_neck; Geschwindigkeit der Luft des Nackenwärmers, V_neck) sowie die Parameter des Handwärmers (zum Beispiel Lenkrad; Oberflächentemperatur, T_surface; Übertragungsfunktion, F_n). Die genannten sowie weitere Parameter werden der Übertragungsfunktion bereitgestellt und gehen in die Wärmeübertragungsmodelle 201a, 201b, 201c ein.
Ein Beispiel einer solchen Übertragungsfunktion und deren Output von einem der Wärmeübertragungsmodelle zeigen die 2A und 2B in Bezug auf einen Nackenwärmer. Bei einem Nackenwärmer, der eine Heizung mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Heizung) umfasst, führt ein Gebläse Luft entlang die PTC-Heizung. Wie aus 2A ersichtlich ist, werden die Zuluft Tcabin (2B: T_in,air) zur PTC-Heizung sowie die Geschwindigkeit V_BLR der austretenden klimatisierten Luft für die Übertragungsfunktion 199' als Inputs bereitgestellt. Die Stromspannung %DC_PTC zur Versorgung des thermischen Effektors beeinflusst die Leistung des Nackenwärmers. Dementsprechend wird ein auf die Versorgungsspannung SV bezogener dimensionsloser Faktor zur Bestimmung einer Temperaturabweichung T_offset,SV (2B) verwendet, welcher der jeweiligen Spannung zugeordnet werden kann, die dem thermischen Effektor durch die Stromversorgung des Fahrzeugs bereitgestellt wird. Für an den thermischen Effektor gelieferte Spannungen über 13,5 Volt beträgt der dimensionslose Faktor SV 1, und für an den thermischen Effektor gelieferte Spannungen unter 13,5 Volt beträgt der Faktor SV -1. Die Temperaturabweichung kann empirisch bestimmt werden durch Testen des thermischen Effektors in einer temperaturgeregelten Kammer bei unterschiedlichen Spannungen und Temperaturen.
Die Übertragungsfunktion für den Nackenwärmer wird modelliert, um die in 2B gezeigten Gleichungen mit den beispielhaften Offsets und Gains J, K, L, M, N zu liefern. Die Übertragungsfunktion modelliert die Beziehung zwischen der Wärmeübertragung h_NW und der Gebläsegeschwindigkeit V_BLR.
Wie aus 2 ersichtlich ist, erfassen die physikalischen Modelle 201 die Wechselwirkungen zwischen der Umwelt, den thermischen Effektoren und dem Fahrgast, um so die Gesamt-Energiebilanz auf der Ebene des Menschen zu erfassen. Das physikalische Modell 201 ist die Summe aus dem konduktiven Modell 201a, dem konvektiven Modell 201b und dem radiativen Modell 201c. 2C zeigt Beispiele für in diese physikalischen Modelle eingehende Inputs, von denen einige auch Outputs der Übertragungsfunktionen sein können. Zum Beispiel sind die Temperatur der austretenden Luft 203a (2A und 2B: T_exit,air; 2C: NTC Temperaturen, Nackenwärmer) und die Wärmeübertragung 203b (2A und 2B: h_NW; 2C: Konvektiver HTC, Nackenwärmer) Outputs der Übertragungsfunktion 199' des Nackenwärmers und Inputs in das konvektive Modell 201b. Das radiative Lastmodell 201c ist weitgehend abhängig von der über die Fensterscheiben auf das Fahrzeug einwirkenden Solarlast und von der resultierenden thermischen Strahlung, die von den großen Komponenten wie der Instrumententafel (IP: Instrument Panel) generiert wird.
Die Differenztemperatur zwischen der EHT und einem Temperatur-Sollwert steht in Beziehung zur Wärmestromdichte zwischen dem Fahrgast und der Umgebung. Die Wärmestromdichte des Fahrgastes kann von dieser Differenztemperatur abgeleitet werden. Die Wärmestromdichte lässt sich als thermische Fahrgast-Behaglichkeit übersetzen, zum Beispiel, als ein thermisches Gesamtempfinden. Das thermische Gesamtempfinden ist ein Maß des von einem jeweiligen Fahrgast erlebten thermischen Empfindens basierend auf den Wärmeübertragungsraten auf dessen Körper. Der thermische Zustand eines Fahrgastes lässt sich mittels der PMV-Skala (erwartete durchschnittliche Empfindung) ausdrücken, wie zum Beispiel beschrieben in P.O. Fanger „Thermal comfort: analysis and applications in environmental engineering“, McGraw Hill 1970, 225-240, ISBN: 0070199159. Die PMV-Skala stellt thermisches Empfinden numerisch wie folgt dar: -3 kalt, -2 kühl, -1 leicht kühl, 0 neutral, 1 leicht warm, 2 warm, 3 heiß. Ein weiteres Beispiel ist die Berkeley Sensation and Comfort Scale („Berkeley scale“: Berkeley-Skala für Empfindung und Behaglichkeit), wie zum Beispiel beschrieben in Arens E. A., Zhang H. & Huizenga C. (2006) Partial- and whole-body thermal sensation and comfort, Part I: Uniform environmental conditions. Journal of Thermal Biology, 31, 53-59. Die Berkeley-Skala stellt thermisches Empfinden numerisch wie folgt dar: -4 sehr kalt, -3 kalt, -2 kühl, -1 leicht kühl, 0 neutral, 1 leicht warm, 2 warm, 3 heiß, 4 sehr heiß. Es versteht sich, dass der thermische Zustand eines Fahrgastes sich auch mit anderen Ansätzen quantifizieren lässt. Das thermische Gesamtempfinden (OTS) ist ein Maß des von einem jeweiligen Fahrgast erlebten thermischen Empfindens basierend auf den Gesamt-Wärmeübertragungsraten von der Umgebung auf dessen Körper.
Ein Beispiel eines Mikroklima-Systems kann zur genauen Beurteilung der individuellen Fahrgast-Behaglichkeit viele diskrete Fahrgast-Mikroklima-Zonen aufweisen. Gemäß ISO 145045-2:2006 (E) kann ein menschlicher Körper in mehr als 17 unterschiedliche Körperbereiche unterteilt werden, zum Beispiel Hand-, Kopf- oder Brustbereich, und jeder Körperbereich weist jeweils einen anderen Temperaturbereich für thermische Behaglichkeit auf. Allerdings kann es sein, dass ein Mensch, der sein Mikroklima individuell anpassen möchte, es vorzieht, seine Temperatur- oder Wärmepräferenzen anhand einer kleineren Anzahl von Zonen anzugeben. Es ist daher nötig, das für die Bestimmung der Fahrgast-Behaglichkeit benötigte komplexe Modell der thermodynamischen Zonen des Menschen auf eine niedrigere Ordnung herunterzubrechen, die es erlaubt, das gesamte koordinierte Steuerungssystem für Behaglichkeit an diese spezifischen Nutzerpräferenzen anzupassen. Die fünf exemplarischen Zonen in 1 sind: Kopf (5, 202), Rücken (5, 204), Sitzpolster (Oberschenkel und Gesäß) ( 4A, 208), Fuß/Bein (4A, 210) sowie Arm/Hand (4A, 206). Nach Wunsch können weniger, mehr oder andere Zonen verwendet werden.
Einige beispielhafte Ausführungsformen von thermischen Mikroklima-Effektoren sind in 1 schematisch dargestellt. Beispiele weiterer thermischer Effektoren zum Erzielen eines individuell angepassten Mikroklimas, sind unter anderem klimatisierte Sitze (zum Beispiel U.S.-Patentnummern 5,524,439 und 6,857,697), eine Kopfstützen- oder Nackenklimaanlage (zum Beispiel Provisorische U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/039,125 ), ein klimatisierter Fahrzeughimmel (zum Beispiel Provisorische U.S.-Patentanmeldung Nr. 61/900334 ), eine klimatisierte Türverkleidung und/oder Instrumententafel, ein Lenkrad (zum Beispiel U.S.-Patentnummer 6,727,467 und U.S.-Pub. Nr. 2014/0090513 ), ein beheizter Schaltknüppel (zum Beispiel U.S.-Pub. Nr. 2013/0061603 etc.), Heizmatten und/oder ein Minikompressor-System. Das Mikroklima-System stellt die gewünschte persönliche Fahrgast-Behaglichkeit auf eine automatisierte Weise zur Verfügung, mit wenigen oder keinen Einstellungen seitens des Fahrgastes. Alle oder einige dieser Geräte können für die optimale Steuerung der thermischen Umgebung eines individuellen Fahrgastes auf einem an einer eindeutigen und beliebigen Stelle innerhalb eines Personenkraftwagens befindlichen Sitz angeordnet sein. Außerdem können diese Komponenten dazu eingesetzt werden, die thermische Behaglichkeit gesondert für individuelle Körperbereiche des Fahrgastes entsprechend dessen Präferenz oder entsprechend der Effektivität der Geräte oder in Abhängigkeit von der Dauer der Steuerung zu regulieren.
Das in 1 abgebildete System 10 ist in den 2 und 4 schematisch dargestellt, um die Gesamt-Wärmebilanz (zum Beispiel der Energie) beziehungsweise die Übertragung zwischen der Umgebung und dem Fahrgast zu demonstrieren. Die 2 verdeutlicht das Konzept des Systems, während in 4 das Steuerungssystem dargestellt wird. In 3 wird das Verfahren 100 zur Steuerung des Systems gezeigt. Die Wärmebilanz (3, 102) kann Input von mindestens einem thermischen Effektor in der mindestens einen Zone verwenden. Beispiele für Inputs von den thermischen Effektoren in mindestens einer Zone ( 4A, 202-214) können lokale Mikroklima-Sollwerte (Tseat surface, Tcushion surface; Vseat surface, Vseat cushion; Tair gerichtet auf den Nacken des Fahrgastes; Vneck; Fij) und Mikroklima-Sollwerte (TsetHVAC: T, v, set) umfassen. Die Software wird derart konfiguriert, dass spezifische Effektoren und deren Wärmeübertragungsmechanismen für jede Zone berücksichtigt werden (4A, 212). Weitere Inputs für die Wärmebilanz können Informationen über den Fahrgast (Körpergröße, Gewicht, Geschlecht, Kleidung) und Umgebungsbedingungen sowie Bedingungen im Fahrgastraum (Geometrie, Fij, Solarlast, spezifische Sitzplätze oder Stellen etc.) umfassen. Die Wärmebilanz ist vorzugsweise eine Summe aus auf den Fahrgast entsprechend seines Wärmeverlusts (oder seiner Wärmezunahme) einwirkenden Konvektions-, Konduktions- und Strahlungsquellen, und sie kann berechnet werden durch die Summierung der Wärmeübertragungsrate für jede Zone (4A, 216). In einer beispielhaften Ausführungsform kann es in einer Zone eine positive Wärmeübertragung geben und in einer anderen Zone eine negative Wärmeübertragung. Die Wärmebilanz kann Modelle mit einem oder mehreren verwendeten Inputs für jede der Konvektions-, Konduktions- und Strahlungsquellen umfassen.
Diese Gesamt-Wärmeübertragung (3, 102) auf den Fahrgast kann mittels zonaler EHTs beschrieben werden, wobei die homogene Äquivalenttemperatur einer Kombination von Zonen, die den menschlichen Körper ausmachen, mathematisch kombiniert werden können, um die Gesamt-Wärmeübertragung auf den Körper adäquat zu beschreiben. Für jeden Fahrgast kann eine einzige EHT bestimmt werden, und in dem Fall vereinfacht diese Äquivalenttemperatur das Modell, indem die zonenweise Berechnung der individuellen Temperaturen vermieden wird. Außerdem kann die Wärmebilanz für den Fahrgast zumindest zum Teil bestimmt werden, indem ein sogenanntes Predicted Mean Vote (erwartetes durchschnittliches Empfinden) eingesetzt wird, das als OTS-Skala genutzt wird.
Wie aus 2 in Zusammenschau mit 3 ersichtlich ist, wird ein Verfahren zur Steuerung einer Mikroklima-Umgebung für Fahrgäste eingesetzt, um einen Gleichgewichtspunkt für thermische Fahrgast-Behaglichkeit mittels einer Schätzung der Behaglichkeit zu erzielen und nach Bedarf automatisch neue lokale Temperatur-Sollwerte für die thermischen Mikroklima-Effektoren zu erreichen. Je nach dem Grad der Integration in das Fahrzeug kann das offenbarte Verfahren auch dazu dienen, die Heizung und Kühlung (TsetHVAC) der Luftmasse des Fahrzeugs zu regeln.
Wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist, wird eine Wärmebilanz (3, 102) bei einem Fahrgast in einer Mikroklima-Umgebung in Abhängigkeit von einem Wärmemodell der Wärmeübertragungseffekte auf den Fahrgast bestimmt. Das Diagramm in 4 mit den 4A, 4B und 4C und stellt eine beispielhafte Anordnung dar, mittels welcher OTS_est (geschätztes thermisches Gesamtempfinden) und OTS_target (thermisches Soll-Gesamtempfinden) bestimmt werden. Wie nun aus den 4A, 4B und 4C ersichtlich ist, wird mittels einer jeweiligen Schätzfunktion 60A-E für jede OPZ 42 eine jeweilige Gesamt-Wärmeübertragungsrate (Q) berechnet. Wenn das HVAC-System 12 und/oder die Sonnenlast einen signifikanten Einfluss auf die OPZ 42 haben, ist es optional möglich, dass einige der Schätzfunktionen 60 die thermische Klimatisierung durch das HVAC-System 12 und/oder durch eine auf das Fahrzeug einwirkende Sonnenlast mit einbeziehen. Da der Oberkörper des Fahrgastes 50 im Fahrzeug am ehesten diesen Faktoren ausgesetzt ist, kann Einbeziehung dieser Faktoren insbesondere zur Schätzfunktion 60B einen sinnvollen Beitrag leisten. Der Output der jeweiligen Schätzfunktionen 60 sind die jeweiligen OPZ-spezifischen Wärmeübertragungsraten, die durch eine Summierungseinrichtung 62 aufsummiert werden, um eine Gesamt-Wärmeübertragungsrate 64 zu bestimmen. Um die Gesamt-Wärmeübertragung zu oder vom Fahrgast 50 im Fahrzeug nachvollziehen zu können, kombiniert die Summierungseinrichtung 62 die Wärmeübertragung für jede der OPZ-Zonen. Um die Gesamt-Wärmeübertragung zu oder vom Fahrgast nachvollziehen zu können, kombiniert die Summe der Wärmeübertragungsrate (q) für den hier dargestellten Fahrgast-Sitzplatz 218 die Wärmeübertragung für jede der mehreren Zonen. Mittels dieser Gesamt-Wärmeübertragung auf den Fahrgast können dann weitere Kennzahlen berechnet werden, um die thermische Fahrgast-Behaglichkeit zu quantifizieren (zum Beispiel OTS, EHT, Predicted Mean Vote (PMV) und der PPD-Index des voraussichtlichen Anteils unzufriedener Personen (PPD: Predicted Percentage of Dissatisfied) etc.), um dann das System dementsprechend zu steuern.
Aus dieser Wärmebilanz wird ein thermisches Gesamtempfinden des Fahrgastes geschätzt (OTSest; 3, 104). Für die in 4B gezeigte Ausführungsform („Schätzung aktuelles OTS für Fahrgast-Sitzplatz“, 220) ist OTS die bevorzugte Methodik. Eine erste OTS-Rechnung 66A übernimmt die Gesamt-Wärmeübertragung von der Summierungseinrichtung 62 und berechnet das geschätzte thermische Gesamtempfinden OTS_est und liefert OTS_est als einen Output a. Eine zweite OTS-Schätzfunktion 66B bestimmt ein thermisches Soll-Gesamtempfinden OTS_target für den Fahrgast 50 und liefert OTS_target als einen Output b. Das von der Schätzfunktion 66A bestimmte Ergebnis basiert auf Nutzerpräferenzen (zum Beispiel von einer graphischen Benutzeroberfläche (GUI: Graphical User Interface) und/oder auf ein Energiebudget der verschiedenen thermischen Mikroklima-Effektoren 40.
Eine Summierungseinrichtung 70 bestimmt die Differenz zwischen OTS_target und OTS_est, um den Fehler der Gesamt-Wärmeübertragung OTS-Fehler 72 zu ermitteln, der von dem Regler 44 verwendet wird, um Sollwerte für die verschiedenen thermischen Effektoren 40 zu bestimmen. In Abhängigkeit vom OTS-Fehler 72 und zusätzlich in Abhängigkeit von gegebenenfalls durch den Fahrgast gelieferte Temperaturabweichungen (zum Beispiel OPZ-spezifische Temperaturabweichungen) bestimmt ein OTS-Modus-Modul 74 für jeden thermischen Effektor 40, ob Heizung oder Kühlung geliefert werden soll. So wird die Wärmeübertragung von allen der Zonen eines Fahrgastes kombiniert, um eine Gesamt-Wärmeübertragung zu oder vom Fahrgast zu erhalten. Die Schätzung kann auf die EHT beruhen, um eine Differenztemperatur zu bestimmen, von der eine Wärmestromdichte (HeatLoss_sody) abgeleitet werden kann, wobei die Wärmestromdichte ein Indikator des geschätzten thermischen Gesamtempfindens ist. In einer beispielhaften Ausführungsform wird das geschätzte thermische Gesamtempfinden durch die Gleichung $O T S e s t = \frac{6}{1 + exp (- A \times (H e a t L o s s_{B o d y} + B))} - 3$
dargestellt, wobei HeatLoss_Body der Wärmestromdichte jedes Fahrgastes in der Mikroklima-Umgebung entspricht, und A und B Koeffizienten sind, die in Beziehung stehen zu saisonalen Effekten auf die Wärmestromdichte. Die Gleichung hat die Form einer Sigmoidfunktion mit Termen, die sich auf spezifische thermische Merkmale des Fahrgastes in Kombination mit dem berechneten Wärmeverlust des Körpers des Fahrgastes beziehen. Der aus dieser Gleichung resultierende Wert stellt eine Zahl auf der PMV-Skala dar.
In der 7 sind die saisonalen Effekte auf die Wärmestromdichte dargestellt, die im Zusammenhang mit dem thermischen Gesamtempfinden steht. Die saisonalen Effekte (basierend auf die Koeffizienten A und B) werden durch den Widerstand der Kleidung zwischen dem Fahrgast und der Mikroklima-Umgebung beeinflusst.
Es ist ein thermisches Soll-Gesamtempfinden des Fahrgastes referenziert (OTStarget; 3, 106). Die Gesamt-Wärmeübertragung zu oder vom Fahrgast wird dann benutzt, um die Effektoren in jeder Zone zu steuern. Siehe hierzu auch den Schritt „Schätzung gewünschtes OTS“ (4B, 224), wo das gewünschte OTS (oder die gewünschte EHT) für jede Zone berechnet wird anhand der Präferenzen (vom GUI oder anderen Einrichtungen für den Input des Nutzers) oder in Abhängigkeit vom Energiebudget oder einer Rangfolge der relativen Effektivität der zur Verfügung stehenden Heiz- und Kühleinrichtungen. Dieses thermische Soll-Gesamtempfinden kann durch einen Standardwert in der Nähe eines neutralen Wertes, wie zum Beispiel 1, wiedergegeben werden. Obwohl ein vollautomatisierter Betrieb wünschenswert ist, kann der Standardwert individuell durch den Fahrgast angepasst werden mittels manueller Einstellungen am Klimatisierungssystem, beispielsweise durch eine Temperatureinstellung am HVAC oder an einem der thermischen Effektoren (4B, 222 und 226).
Das Diagramm in 5 stellt eine beispielhafte Anordnung zur Bestimmung eines korrigierten Temperatur-Sollwertes in Abhängigkeit von dem in 4 gezeigten OTS-Fehler 72 dar. Das Diagramm in 5 kann zum Beispiel eingesetzt werden, um den Schritt 212 in 6 durchzuführen. Der OTS-Fehler 72 wird an einen PID-Regler (PID controller: Proportional-Integral-Derivative Controller) 74 weitergegeben, wobei der PID-Regler 74 dazu konfiguriert ist, den OTS-Fehler 72 zu analysieren und unter Anwendung bekannter PID-Regeltechnik ein auf einem Proportionalterm, einem Integralterm und einem Ableitungsterm basierendes OTS-Fehler-Output 76 zu liefern. In einer beispielhaften Ausführungsform ist jeder Term bei jedem Effektor anders. Der Integralterm (in 5 nicht dargestellt und welcher durch eine Akkumulation des OTS- Fehlers 70 gekennzeichnet ist) und der Ableitungsterm (in 5 nicht dargestellt und welcher durch eine Änderungsrate des OTS- Fehlers 70 über die Zeit gekennzeichnet ist). Für das im folgenden erläuterte Beispiel wird davon ausgegangen, dass der der Integralterm und der Ableitungsterm jeweils gleich 0 sind, aber es versteht sich, dass bei der Anwendung bekannter PID-Regeltechnik auch Werte ungleich 0 für die Terme benutzt werden können.
Gegeben ist ein thermischer Klimatisierungsbereich 77 mit einer Spanne zwischen einer Maximaltemperatur (t_max_comfort) und einer Minimaltemperatur (t_min_comfort). Als Beispiel sei angenommen, dass t_max_comfort für eine bestimmte OPZ 42 bei 10 °C liegt und dass t_min_comfort für diese bestimmte OPZ 42 bei 0 °C liegt. Der Block 78 bestimmt aus den Werten einen Mittelwert (in diesem Beispiel 5 °C), und der Block 80 bestimmt die Größe der Spanne (10 °C in diesem Beispiel). Der Block 84 bestimmt anhand dieser Inputs einen korrigierten Sollwert (tsetNom) 86. In einer beispielhaften Ausführungsform wendet Block 84 die unten aufgeführte Gleichung 3 an. $tsetNom = u (1) + (u (2) * u (3)) / 100$

mit u(1) als Nennsollwert;
u(2) als Größe der Spanne und
u(3) als OTS-Fehler-Output 76.

Setzt man die oben genannten Beispielwerte ein, ist u(1) gleich 5 °C und u(2) ist gleich 10 °C. Diesen Ausführungen folgend sei angenommen, das der OTS-Fehler-Output 76 entsprechend u(3) ein Fehler von 20 % ist (und damit anzeigt, dass OTS_target um 20 % höher als OTS_est ist). Setzt man diese Werte ein, ist tsetNom gleich (5 + (10*20)/(100)) beziehungsweise 7 °C.
Die Differenz zwischen geschätztem aktuellen OTS und gewünschtem OTS wird berechnet (3, 108), und das System bestimmt, wie die Effektoren (Heizung und Kühlung) und die Parameter zu steuern sind. Ein Fehler zwischen dem geschätzten thermischen Gesamtempfinden (OTSest) und dem thermischen Soll-Gesamtempfinden (OTStarget) wird berechnet (4C, 228). In 6 sind die Effekte von Sonnenlast auf den Fehler des thermischen Gesamtempfindens dargestellt. Um den Fehler zu reduzieren, wird mindestens ein thermischer Effektor in dem Mikroklima-System in mindestens einer Zone gesteuert. Zwar kann der OTS-Fehler für jede der mehreren Zonen berechnet werden, jedoch ist es einfacher, einen einzigen OTS-Fehler für das gesamte Mikroklima-System zu berechnen. Dieser einzige OTS-Fehler kann dann zonenweise angewandt werden, um den thermischen Effektor bzw. die thermischen Effektoren in jeder Zone anzupassen (3, 110). Alternativ hierzu kann der Fehler für jede Zone separat berechnet werden, mit dem Resultat unterschiedlicher Fehler in den mehreren Zonen. Hieraus kann über die mehreren Zonen hinweg unterschiedliche Heizung und/oder Kühlung resultieren. Die über den Nutzer-Input einzugebenden Präferenzen sind begrenzt und wirken als nur geringe lokale Störung für den generalisierten Gesamt-Regler, der zur Erreichung des thermischen Soll-Gesamtempfindens die Gesamt-Wärmestromdichte einstellt. Mittels der Präferenzen werden nur die relativen Beiträge der einzelnen Einrichtungen entsprechend spezifischer Nutzerpräferenzen eingestellt.
Eine mögliche Software-Implementierung hat als Resultat einen positiven OTS-Fehler, der ein Indikator ist für einen Fahrgast, dessen Zustand aktuell kühler als gewünscht ist, während ein negativer Fehler ein Indikator für einen Fahrgast ist, dessen Zustand aktuell wärmer als gewünscht ist. Daher wird bei einem positiven Fehler mindestens ein thermischer Effektor in der Zone zum Wärmen des Fahrgastes aktiviert, und die anderen thermischen Effektoren, die zum Kühlen des Fahrgastes verwendet werden, sind inaktiv. Umgekehrt wird bei einem negativen Fehler der mindestens eine thermische Effektor zum Kühlen des Fahrgastes aktiviert, und die anderen thermischen Effektoren, die zum Wärmen des Fahrgastes verwendet werden, sind inaktiv.
Der Schritt der Steuerung der thermischen Effektoren (3, 110) kann durchgeführt werden in Abhängigkeit von einer Rangfolge der Energieeffizienz der mehreren thermischen Effektoren und in Abhängigkeit ihrer Rangfolge entsprechend der Effektivität jeder Komponente hinsichtlich der Bereitstellung thermischer Behaglichkeit (4C, 230). Das heißt, dass das Gesamt-Energiebudget für das Mikroklima-System berücksichtigt wird und dass es möglich ist, dass nur bestimmte der verfügbaren thermischen Effektoren in Abhängigkeit von den technischen Begrenzungen der thermischen Effektoren (zum Beispiel Limits der Temperatur-Sollwerte und des resultierenden Energieverbrauchs) zur Reduzierung des Fehlers in der Zone eingesetzt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform werden die weniger effektiven Einrichtungen abgeschaltet, und nur einige effektivere Einrichtungen werden mit voller oder hoher Leistung eingesetzt. Ein zusätzliches Verfahren ist die Gewichtung des im OTS bestimmten Fehlers, so dass effektivere Einrichtungen bevorzugt werden und höhere Sollwerte haben als weniger effektive Einrichtungen. Das bedeutet, dass zum Beispiel alle Heizeinrichtungen zum Heizen benutzt werden können, aber die besten, beziehungsweise bevorzugten Einrichtungen dominieren, während die ineffizienteren, weniger bevorzugten Einrichtungen nur reduziert eingesetzt werden (wodurch Energie gespart und Unmut vermieden wird). Der Schritt der Steuerung kann die Auswahl der zu betreibenden thermischen Effektoren, gegebenenfalls die Sollwerte der Luftströmung für die konvektiven thermischen Effektoren und Temperatur-Sollwerte umfassen. Insbesondere ist es möglich, den Schritt der Steuerung zu betreiben mit dem Ziel der Effizienz (Reduzierung des Stromverbrauchs - besonders wichtig für die Reichweite von Elektrofahrzeugen, aber auch in jedem anderen Fahrzeug bedeutsam für den Energieverbrauch) oder mit dem Ziel der maximalen Behaglichkeit (möglichst rasche Minimierung des OTS-Fehlers). Außerdem kann der Schritt der Steuerung der thermischen Effektoren einen Ausgleich zwischen den Zielen Effizienz und maximale Behaglichkeit (maximale Behaglichkeit im Rahmen eines Energiebudgets) schaffen.
Obwohl die dargestellte Ausführungsform hier in einer bestimmten Anordnung ihrer Komponenten offenbart ist, versteht es sich, dass auch andere Anordnungen vorteilhaft sein können. Obgleich hier bestimmte Schrittfolgen gezeigt, beschrieben und beansprucht sind, soll klargestellt sein, dass die Schritte, sofern nicht anders angegeben, in beliebiger Reihenfolge, voneinander getrennt oder miteinander kombiniert durchgeführt werden können, und auch dann von der vorliegenden Erfindung profitieren können.
Obwohl die verschiedenen Beispiele bestimmte in den Zeichnungen gezeigte Komponenten aufweisen, sind die Ausführungsformen dieser Erfindung nicht spezifisch auf diese Kombinationen beschränkt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale des einen Beispiels mit Merkmalen oder Komponenten eines anderen Beispiels zu kombinieren.
Es ist eine beispielhafte Ausführungsform offenbart; für Fachleute auf dem Gebiet ist jedoch zu erkennen, dass bestimmte Änderungen in den Umfang der Ansprüche fallen. Der wahre Umfang und der Kern der Erfindung werden durch die folgenden Ansprüche angezeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/970409 [0001]
US 62039125 [0033, 0044]
US 61/900334 [0033]
US 6727467 [0033]
US 2014/0090513 [0033, 0044]
US 2013/0061603 [0033, 0044]
WO 202011290 [0033]
WO 2018049159 A1 [0033]
US 62951289 [0036]
US 61900334 [0044]

Claims

Ein Verfahren zur Steuerung einer Mikroklima-Umgebung für Fahrgäste, umfassend die Schritte: Bestimmung einer Wärmebilanz bei einem Fahrgast in einer Mikroklima-Umgebung in Abhängigkeit von einem Wärmemodell der Wärmeübertragungseffekte auf den Fahrgast; Schätzung eines thermischen Gesamtempfindens des Fahrgastes in Abhängigkeit von der Wärmebilanz; Referenzierung eines thermischen Soll-Gesamtempfindens des Fahrgastes; Berechnung eines Fehlers zwischen dem geschätzten thermischen Gesamtempfinden und dem thermischen Soll-Gesamtempfinden sowie Steuerung mindestens eines thermischen Effektors in mindestens einer Zone in der Mikroklima-Umgebung, um den Fehler im thermischen Gesamtempfinden zu reduzieren und dabei alle Effektoren innerhalb der Temperatur- und Durchflussgrenzen aufrechtzuerhalten, bei denen Fahrgast-Behaglichkeit gewährleistet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärmebilanz eine Summe aus Konvektion, Konduktion und Strahlung ist, die auf den Fahrgast entsprechend des Wärmeverlustes des Fahrgastes einwirken.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Wärmebilanz in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs, der Temperatur im Fahrgastraum und Informationen über den Fahrgast berechnet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Informationen über den Fahrgast mindestens drei der folgenden Kriterien umfassen: Gewicht, Körpergröße, Geschlecht und Kleidung des Fahrgastes.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Wärmebilanz die Wärmeeinbringung von dem mindestens einen thermischen Effektor in der mindestens einen Zone umfasst, wobei die Wärmeeinbringung als eine Übertragungsfunktion des mindestens einen thermischen Effektors bereitgestellt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Wärmebilanz des Fahrgastes mittels einer homogenen Äquivalenttemperatur bestimmt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das geschätzte thermische Gesamtempfinden durch die Gleichung $O T S e s t = \frac{6}{1 + exp (- A \times (H e a t L o s s_{B o d y} + B))} - 3$
dargestellt wird, wobei HeatLoss_Body der Wärmestromdichte des Fahrgastes in der Mikroklima-Umgebung entspricht, und A und B Koeffizienten sind, die in Beziehung stehen zu saisonalen Effekten auf die Wärmestromdichte.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei das geschätzte thermische Empfinden des Fahrgastes und das thermische Soll-Empfinden des Fahrgastes mittels der Predicted-Mean-Vote-Skala (PMV: erwartetes durchschnittliches Empfinden) quantifiziert werden.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermische Soll-Gesamtempfinden als ein Standardwert vorgesehen ist, der durch gegebenenfalls vom Fahrgast über eine Klimasteuerung eingegebene manuelle Einstellungen angepasst wird.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Fehler eine Differenz zwischen dem thermischen Soll-Empfinden des Fahrgastes und dem geschätzten thermischen Empfinden des Fahrgastes ist, wobei ein positiver Fehler ein Indikator für einen kühlen Fahrgast ist und ein negativer Fehler ein Indikator für einen warmen Fahrgast ist, wobei bei einem positiven Fehler der mindestens eine thermische Effektor zum Wärmen des Fahrgastes aktiviert wird und die anderen thermischen Effektoren, die zum Kühlen des Fahrgastes verwendet werden, inaktiv sind, und bei einem negativen Fehler der mindestens eine thermische Effektor zum Kühlen des Fahrgastes aktiviert wird und die anderen thermischen Effektoren, die zum Wärmen des Fahrgastes verwendet werden, inaktiv sind.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Zone mehrere Zonen umfasst und jede der mehreren Zonen mindestens einen thermischen Effektor aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die mehreren Zonen mindestens drei der folgenden Zonen umfassen: eine Kopfzone, eine Sitzrücklehnenzone, eine Sitzpolsterzone, eine Hand- und Armzone sowie eine Fuß- und Beinzone.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine thermische Effektor mindestens drei der folgenden Einrichtungen umfasst: einen klimatisierten Sitz, eine Kopfstützen- beziehungsweise Nackenklimaanlage, einen klimatisierten Fahrzeughimmel, ein Lenkrad, einen beheizten Schaltknüppel, eine Türverkleidung, eine Heizmatte und ein Minikompressor-System.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt der Berechnung für jede der mehreren Zonen durchgeführt wird und der Schritt der Steuerung mittels des thermischen Effektors in jeder der mehreren Zonen durchgeführt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Wärmebilanz des Fahrgastes anhand einer homogenen Äquivalenttemperatur bestimmt wird und der Schritt der Schätzung die homogene Äquivalenttemperatur verwendet, um das geschätzte thermische Gesamtempfinden zu ermitteln.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei mit dem Schritt der Berechnung verschiedene Fehler in den mehreren Zonen ermittelt werden und der Schritt der Steuerung zu unterschiedlichem Heizen und/oder Kühlen in den mehreren Zonen führt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, umfassend mehrere in der Mikroklima-Zone angeordnete thermische Effektoren, wobei der Schritt der Steuerung in Abhängigkeit von einer Rangfolge der Energieeffizienz der mehreren thermischen Effektoren durchgeführt wird.
Ein Regler, der dazu konfiguriert ist, das Verfahren nach Anspruch 1 durchzuführen.
Ein Sitzsystem, das den Regler nach Anspruch 18 umfasst.
Ein Fahrzeug, das das Sitzsystem nach Anspruch 19 umfasst.