FR3088259A1 - Systeme de gestion du confort thermique dans un habitacle de vehicule, notamment automobile, et procede de gestion thermique mis en ouvre par un tel systeme. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système de gestion du confort thermique (1) dans un habitacle de véhicule, notamment automobile, ledit système comprenant une unité de traitement (2) agencée pour : - acquérir une donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) entre un équipement de l'habitacle (3, 5, 7, 9) et une partie du corps d'un passager, la partie du corps étant habillée ou non, - déterminer une valeur d'un indice de confort thermique (TCI) de ce passager en fonction au moins de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact, - commander les actionneurs thermiques (103, 105, 107, 109) agencés pour agir sur une ou plusieurs zones de contact entre l'équipement de l'habitacle (3, 5, 7, 9) et la partie du corps de ce passager, en fonction au moins de ladite valeur de l'indice de confort thermique (TCI) et de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact.
Description
L’invention concerne un système de gestion du confort thermique dans un habitacle de véhicule, notamment automobile. L’invention concerne également un procédé de gestion thermique mis en oeuvre par un tel système de gestion thermique.
La présente invention concerne la mise en oeuvre de nouveaux moyens et stratégies de contrôle et gestion du confort thermique à bord de véhicules automobiles. La gestion du confort au sein d’un véhicule fait l’objet de nombreux développements pour répondre aux évolutions de la mobilité et au souci de rationaliser le plus possible la consommation d’énergie liée au confort, en particulier sur les véhicules électriques. Cela impose notamment de prendre en compte une grande variété d’échanges thermiques entre l’environnement et les passagers au sein de l’habitacle, que ce soit en nature de ces échanges (convection, rayonnement, contact) ou zones du corps (tête, cou, torse, bras, mains, etc.).
On s’intéresse plus particulièrement ici aux échanges thermiques par contact direct entre divers équipements de l’habitacle et une ou plusieurs zones du corps d’un passager.
Les passagers installés au sein d’un habitacle de véhicule automobiles peuvent être en contact avec différents équipements, tels qu’un volant, un siège, un pommeau de levier de vitesses, un repose-bras. Les conditions d’échanges thermiques par contact avec l’un de ces équipements contribuent fortement aux sensations thermiques (chaud, neutre, froid) et au ressenti thermique général (ce ressenti pouvant être agréable ou désagréable). Cela est particulièrement vrai lorsqu’un usager vient d’entrer dans un habitacle exposé au froid ou à la chaleur.
Des dispositifs de chauffage ou de refroidissement connus de l’homme du métier (par exemple : un siège chauffant, ventilé ou rafraîchissant, un volant ou un appui chauffants) peuvent moduler les échanges thermiques par contact afin d’amener plus rapidement la personne au confort thermique, ou au contraire afin de la maintenir au confort thermique. Ces dispositifs sont soit commandés par le passager, soit par des capteurs de température qui vont réguler automatiquement une plage ou niveau de température de fonctionnement du dispositif de chauffage ou de refroidissement. Ces capteurs de température sont placés dans le siège ou sur un élément à proximité de la zone où a lieu le contact entre le passager et l’équipement concerné.
Cependant, l’information de température à proximité de la zone de contact ne suffit pas à évaluer correctement l’intensité des échanges thermiques entre le passager et l’équipement. En effet, ces échanges thermiques dépendent de nombreux autres facteurs difficiles à mesurer : l’habillement de la personne (nombre, nature et épaisseur des couches de vêtement), les zones et pression d’appui du corps au niveau du contact, la température de peau de la personne résultant de son activité métabolique, et de divers paramètres physiologiques (Indice de masse corporelle, thermogénèse, frilosité...).
Afin d’évaluer plus précisément l’impact des contacts sur le confort et le ressenti thermiques des passagers, il faut connaître le flux thermique échangé dans la zone concernée qui est transmis vers le corps (terme qui sera noté positif dans le cas d’un chauffage), ou qui est extrait du corps (terme qui sera noté négatif dans le cas d’un refroidissement). En outre, ce flux thermique varie fortement, selon notamment l’habillement ou la force d’appui de la personne. Il participe directement au bilan des échanges thermiques de la personne avec son environnement et détermine aussi la sensation thermique locale, le corps étant plus particulièrement sensible au flux de chaleur qu’à la température au niveau du contact.
L’invention vise à améliorer la gestion du confort thermique dans un habitacle de véhicule par la prise en compte des flux thermiques par contact entre un équipement de l’habitacle et une partie du corps du passager.
La présente invention a ainsi pour objet un système de gestion du confort thermique dans un habitacle de véhicule, notamment automobile, système comprenant une unité de traitement agencée pour :
- acquérir une donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) entre un équipement de l’habitacle et une partie du corps d’un passager, la partie du corps étant habillée ou non,
- déterminer une valeur d’un indice de confort thermique TCI de ce passager en fonction au moins de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact,
- commander au moins un actionneur thermique agencé pour agir sur une ou plusieurs zones de contact entre l’équipement de l’habitacle et la partie du corps de ce passager, en fonction au moins de ladite valeur de l’indice de confort thermique (TCI) et de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact.
Selon un aspect de l’invention, l’indice de confort thermique TCI résulte de la combinaison :
- d’un indice de confort thermique stationnaire (TCIs) basé sur un bilan des échanges thermiques de ce passager, en fonction au moins de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact,
- d’un indice de confort thermique dynamique (TCId) représentatif d’un ou plusieurs déséquilibres thermiques locaux et transitoires, inconfortables ou confortables, en fonction au moins de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact.
Les indices de confort thermique stationnaires et dynamiques (TCIs, TCId) expriment un ressenti thermique global (/e. sur l’ensemble du corps) ou local (/e. sur une zone du corps) et seront fonction notamment :
- de la chaleur à extraire du corps, qu’elle soit produite, absorbée ou apportée sur la zone concernée, en particulier du fait de l’activité métabolique,
- de la chaleur échangée avec l’environnement extérieur, que ce soit par convection, rayonnement infrarouge, contact, respiration ou sudation, en particulier du fait de la mise en oeuvre d’actionneurs thermiques.
L’indice de confort dynamique global TCId est constitué de la somme des contributions de termes TCId(i), chacun étant représentatif d’un stress thermique inconfortable ou d’un stimulus thermique confortable sur une zone (i) du corps du passager. L’indice de confort dynamique TCId est de la forme :
TCId = Σ [ai x TCId(i)] où ai est un coefficient qui module le signe et l’intensité de l’influence du terme TCId(i) sur l’indice de confort dynamique global TCId.
Selon un aspect de l’invention, l’indice de confort thermique global TCI de la personne est défini comme une combinaison linéaire de l’indice de confort stationnaire TCIs et de l’indice de confort dynamique TCId :
TCI = axTCIs + (1-a)xTCId où a est un coefficient qui permet de pondérer l’influence des deux termes TCIs et TCId sur le confort thermique global ressenti. Le coefficient a peut varier en fonction des situations et en particulier du contexte d’usage du véhicule.
Suivant les cas, la stratégie de gestion du confort thermique va donc consister à :
- réaliser et maintenir la neutralité thermique, c’est-à-dire avoir la chaleur à extraire égale à la chaleur échangée, avec une température de peau dite de confort (ie. la personne n’a ni chaud, ni froid).
La consigne de réalisation sera alors d’avoir la valeur des deux indices de confort thermique égale à zéro, soit TCIs = 0 et TCId = 0, objectif qui sera privilégié en régime stationnaire.
- détecter la présence d’un déséquilibre ou d’un inconfort thermique transitoire, lorsqu’un ou plusieurs termes TCId(i) de l’indice de confort dynamique TCId dévient dans une certaine plage, en signe et intensité: Seuil(i) 1 < TCId(i) < Seuil(i)2
Le terme TCId(i) concernera par exemple : un déséquilibre des températures du visage, un flux thermique par contact PCont,
- réaliser et maintenir pendant une durée limitée un ou des stimuli thermiques qui mettent la personne localement hors équilibre et procure une sensation thermique transitoire pour accélérer son retour au confort.
Les stimuli thermiques se traduiront par une consigne de réalisation du type TCId(j) = Cible(j) * 0 sur un ou plusieurs indices (j) de confort dynamique. Les valeurs de TCIs et TCId(j) seront en général de signe opposé, c’est à dire qu’on apportera un chauffage localisé si la personne a globalement trop froid, ou au contraire un refroidissement localisé si la personne a globalement trop chaud.
Ces stimuli thermiques sont par exemple : un courant d’air froid sur le visage, de la chaleur au contact du siège ou du volant.
Selon un aspect de l’invention, l’équipement de l’habitacle est choisi parmi :
- un volant,
- le dossier et l’assise d’un siège,
- un appui-tête,
- un repose-bras,
- un pommeau de levier de vitesses,
- une ceinture de sécurité,
- tout autre élément susceptible d’être en contact permanent ou répété avec une partie du corps, notamment des habits qui peuvent être connectés.
Selon un aspect de l’invention, la partie du corps du passager peut être : une main, un bras, un pied, une jambe, le dos, les cuisses, le torse, le cou, la tête.
Selon un aspect de l’invention, un indice (i) de confort dynamique TCId(i) sera fonction de la valeur du flux thermique par contact PCont(i) sur une zone (i) du corps selon la formule :
TCId(i) = k x PCont(i)
Selon un aspect de l’invention, le flux thermique par contact (PCont) est obtenu par la relation suivante :
Pcont = HCont x (SkinT - ContT), où :
• HCont (en W/m2.°C) est le coefficient d’échange thermique apparent par contact entre la peau et la surface de l’équipement de l’habitacle, • SkinT (en °C) est la température de la peau • ContT (en °C) est la température de surface de l’équipement en contact avec le vêtement ou la peau du passager.
Lorsque la personne est à la neutralité thermique, la température de peau SkinT atteint une valeur SkinTO, température de confort thermique stationnaire qui ne génère pas de sensation de froid ou de chaud.
La température de confort stationnaire (SkinTO) est la température de peau à atteindre globalement (température moyenne) ou localement (sur une zone i du corps) pour être au confort thermique en régime stationnaire. SkinTO varie selon le profil de la personne, son activité métabolique et les zones du corps concernées entre 32°C et 36°C.
On notera que l’application d’un stimulus thermique (TCId#0) revient à viser temporairement une température de peau cible SkinT différente de la température SkinTO à la neutralité thermique (plus élevée pour un stimulus chaud, plus basse pour un stimulus froid).
Selon un aspect de l’invention, la donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) est déterminée par un ou plusieurs capteurs de flux thermique disposés au niveau de la ou des zones de contact entre un équipement de l’habitacle et une partie du corps d’un passager, et lesdits capteurs sont aptes à communiquer avec l’unité de traitement.
Selon un aspect de l’invention, le capteur est choisi parmi :
- un fluxmètre apte à mesurer directement le flux thermique normal à la surface du capteur, qui se présente sous la forme d’une « pastille » de quelques mm2 à quelques cm2, lequel capteur sera fixé sur l’équipement concerné à proximité de la surface de contact,
- des capteurs de température intégrés dans l’équipement concerné à proximité ou sur la surface de contact avec le corps.
Selon un aspect de l’invention, l’indice de confort thermique stationnaire (TCIs) associé à ce passager dans l’habitacle est déterminé en outre en fonction :
- d’une donnée représentative de l’activité métabolique (METs) de ce passager, ramenée à la surface d’échange du corps avec l’extérieur,
- d’une donnée représentative du flux solaire absorbé directement par la peau sur les surfaces non habillées (SunSkin),
- de données représentatives des flux thermiques échangés par convection, rayonnement infrarouge et contacts avec ce passager (HEx (SkinTO)),
- d’une donnée représentative du flux thermique échangé avec l’environnement du fait de la respiration, de l’évaporation et de la sudation, ramenée à la surface d’échange du corps avec l’extérieur (PResp&Sweat).
Selon un aspect de l’invention, l’indice de confort thermique stationnaire (TCIs) est déterminé à partir de la formule suivante, les différents termes du second membre étant exprimés en Watt/m2, ramenés à la surface du corps participant aux échanges avec l’extérieur :
TCIs = k(METs) x (METs + SunSkin - Hex(SkinTO) - PResp&Sweat ) où:
• METs est une valeur représentative de l’activité métabolique de la personne, • SunSkin est le flux solaire absorbé directement par la peau sur les surfaces non habillées, • Hex(SkinTO) est le flux thermique échangé entre la peau et l’environnement extérieur par convection, rayonnement infrarouge, conduction ou contacts, • PResp&Sweat est le flux thermique échangé par respiration, évaporation et sudation, • k(METs) est un coefficient de pondération, fonction de l’activité métabolique METs, permettant de linéariser et normaliser la relation entre le ressenti thermique et la valeur de l’indice de confort thermique TCIs.
Selon un aspect de l’invention, Hex(SkinTO) est déterminé à partir de la formule suivante :
Hex(SkinTO) = %Cloth x HCIoth x (SkinTO - ClothT) + %Skin x [HConv x (SkinTO - AirT) + HRadSk x (SkinTO - RadT) + PCont ] où :
• %Cloth est la fraction de la surface d’échange avec l’environnement couverte de vêtements, • %Skin est la fraction de surface d’échange avec l’environnement non couverte de vêtements, vérifiant la relation %Cloth + %Skin = 1, • HCIoth est l’inverse de la résistance thermique de l’habillement RCIoth, autrement dit HCIoth est le coefficient d’échange apparent entre la peau et la face extérieure du vêtement de ce passager, • HConv est le coefficient d’échange apparent par convection, entre le vêtement ou la peau de ce passager et l’air extérieur, • HRadSk est le coefficient d’échange apparent par rayonnement infrarouge entre la peau de ce passager et les parois en regard, par exemple une vitre ou la planche de bord, • ClothT est la température extérieure des vêtements, • AirT est la température de l’air extérieur, • RadT est la température radiative de l’environnement extérieur, • PCont est le flux thermique par contact.
ClothT peut être définie par la formule suivante :
ClothT =
SunCloth / (HConv + HRadCI + HCIoth) + [HConvx AirT+ HRadClx RadT+HCIothx ClothT] / [HConv+HRadCI+HCIoth] où :
• SunCloth représente le flux solaire absorbé par les vêtements.
• HRadCI est le coefficient d’échange apparent par rayonnement infrarouge entre les vêtements de ce passager et l’environnement extérieur.
Selon un aspect de l’invention, l’unité de traitement est agencée pour acquérir également une donnée représentative d’un stress thermique facial de ce passager, à savoir l’écart de températures maximal (ΔΤί) entre deux zones du visage de ce passager.
Selon un aspect de l’invention, un indice de confort dynamique TCId(i) sera fonction du stress thermique facial sur une zone (i) :
TCId(i) = k’ x (ΔΤί)
Selon un aspect de l’invention, cet écart de températures maximal (ΔΤί) est mesuré entre le nez et les joues et/ou le front du passager.
Selon un aspect de l’invention, cet écart de températures maximal (ΔΤί) est déterminé à partir au moins d’une caméra infrarouge, notamment une pluralité de caméras infrarouge.
Selon un aspect de l’invention, la caméra infrarouge peut être une camera FIR (Far Infra Red camera, en anglais) opérant dans l’infrarouge lointain (longueur d’onde > 8 μίτι) combinée avec une caméra NIR (Near Infra Red camera, en anglais) opérant dans le proche infrarouge (longueur d’onde < 1 μίτι).
Selon un aspect de l’invention, l’actionneur thermique est agencé pour appliquer un stimulus thermique local sur la ou les zones de contact entre l’équipement de l’habitacle et la partie du corps de ce passager, de manière à modifier la donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) en fonction de la valeur de l’indice de confort thermique stationnaire TCIs et/ou d’un indice de confort dynamique TCId(i) représentatif du stress thermique facial de ce passager.
Selon un aspect de l’invention, la donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) est modifiée de façon à atteindre une valeur PContO associée à la neutralité thermique comprise entre +25 W/m2 et +75 W/m2 lorsque la valeur de l’indice de confort thermique TCI est comprise entre -1 et +1, de préférence la valeur de l’indice de confort thermique TCI est comprise entre 0,5 et +0,5.
Selon un aspect de l’invention, le flux thermique PContO, correspondant à la neutralité thermique, peut être estimé par la formule :
PContO = MetsO - PResp&Sweat où :
- MetsO est une valeur représentative de l’activité métabolique de la personne au repos ou faiblement active, ramenée à la surface d’échange du corps avec l’extérieur (W/m2). MetsO est typiquement compris entre 40 et 100 W/m2 selon le profil de la personne (genre, âge, taille, poids)
- PResp&Sweat représente les flux de chaleur échangés par respiration, évaporation et sudation, ramené à la surface d’échange du corps avec l’extérieur. Ce terme varie typiquement entre 15 et 30 W/m2 selon le profil de la personne, son activité métabolique, la température et l’humidité ambiante.
Selon un aspect de l’invention, la donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) est modifiée de façon à être comprise entre +50 W/m2 et +200 W/m2 lorsque :
- la valeur de l’indice de confort thermique TCI est supérieure à +1.
Selon un aspect de l’invention, la donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) est modifiée de façon à être comprise entre -150 W/m2 et +50 W/m2 lorsque :
- la valeur de l’indice de confort thermique TCI est inférieure à -1.
Dans les deux dernières situations, on pourra avantageusement appliquer un stimulus thermique sous la forme :
PCont = PContO + (PContM - PContO) x Exp (-t/tR) avec :
- PContO est la valeur cible du flux thermique de contact à la neutralité thermique,
- PContM est la valeur cible du flux thermique de contact au démarrage, compris entre -150 et +200 W/m2,
- tR est la constante de temps qui sert à moduler la dynamique d’amortissement du flux, typiquement de quelques dizaines de secondes à quelques minutes,
- t est le temps écoulé après le démarrage ou un changement important de condition thermique.
Selon un aspect de l’invention, l’unité de traitement est également agencée pour commander au moins un actionneur thermique en fonction d’une demande du passager.
Selon un aspect de l’invention, la demande du passager peut être de recevoir un stimulus thermique sur la ou les zones de contact entre l’équipement de l’habitacle et la partie de son corps, l’intensité du stimulus thermique étant renseignée directement par ce passager au moyen d’une interface dédiée, et l’intensité du stimulus pouvant prendre l’un des trois niveaux suivants : faible, moyen ou élevé.
Selon un aspect de l’invention, le stimulus thermique appliqué est associé à l’une des situations suivantes :
- demande d’un stimulus thermique de rafraîchissement élevé, pour avoir PCont compris entre 100 et 200 W/m2,
- demande d’un stimulus thermique de rafraîchissement moyen, pour avoir PCont compris entre 75 et 150 W/m2,
- demande d’un stimulus thermique de rafraîchissement faible, pour avoir PCont compris entre 50 et 100 W/m2,
- demande d’un stimulus thermique de chauffage faible, pour avoir PCont compris entre 0 et 50 W/m2,
- demande d’un stimulus thermique de chauffage moyen, de pour avoir PCont compris entre -50 et 25 W/m2,
- demande d’un stimulus thermique de chauffage élevé, pour avoir PCont compris entre -150 et -50 W/m2.
Selon un aspect de l’invention, les actionneurs thermiques sont régulés de sorte que le flux thermique par contact (PCont) ne dépasse pas une valeur extrême acceptable.
Cette valeur minimale ou maximale imposée à PCont vise à protéger les passagers et l’équipement du véhicule exposés à de trop fortes ou trop basses températures. On prendra typiquement pour valeurs extrêmes : PCont Min > -150W/m2 (Chauffage)
PCont Max < 200 W/m2 (Refroidissement)
La présente invention a encore pour objet un procédé de gestion du confort thermique dans un habitacle de véhicule, notamment automobile, ledit procédé comportant les étapes suivantes :
- acquérir une donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) entre un équipement de l’habitacle et une partie du corps d’un passager, la partie du corps étant habillée ou non,
- déterminer une valeur d’un indice de confort thermique (TCI) de ce passager en fonction au moins de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact,
- commander au moins un actionneur thermique agencé pour agir sur une ou plusieurs zones de contact entre l’équipement de l’habitacle et la partie du corps de ce passager, en fonction au moins de ladite valeur l’indice de confort thermique (TCI) et de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact.
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente de façon schématique un système de gestion du confort thermique selon l’invention,
- la figure 2 est un organigramme représentant les principales étapes du procédé mis en oeuvre par le système de gestion du confort thermique selon l’invention,
- la figure 3 représente de façon schématique les différentes parties du corps du passager impliquées dans le procédé de la figure 2,
- la figure 4 est un diagramme représentant la plage de fonctionnement dans laquelle doit évoluer le flux thermique en fonction du stimulus thermique visé.
L’invention concerne la gestion du confort thermique dans un habitacle de véhicule, notamment automobile, au moyen d’un système de gestion du confort thermique 1 schématisé sur la figure 1.
De façon connue, un habitacle de véhicule comprend plusieurs équipements permettant des échanges thermiques pouvant influer sur le ressenti thermique d’un ou plusieurs passagers du véhicule. Ces équipements sont des sources thermiques permettant de délivrer du chaud et/ou du froid sous forme d’un flux thermique. Ces sources thermiques permettent ainsi des échanges thermiques avec le ou les passagers par l’intermédiaire de flux thermiques de natures différentes :
- flux convectifs (air),
- flux radiatifs infrarouges provenant par exemple de surfaces radiantes telles qu’une vitre froide ou un panneau radiant chaud,
- flux conductifs réalisés par contact entre un équipement de l’habitacle (par exemple un siège ou un volant) et une partie du corps d’un passager.
La présente invention s’intéresse tout particulièrement à l’influence des flux thermiques par contact sur l’état thermique d’un passager, ainsi qu’à la façon de contrôler ces flux dans un objectif de maintien ou d’accès au confort thermique. Les flux thermiques par contact sont désignés sous l’abréviation PCont.
On a représenté sur la figure 1 un système de gestion du confort thermique 1 selon l’invention. Ce système comprend une unité de traitement 2 agencée pour :
- acquérir une donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) entre un équipement de l’habitacle (3, 5, 7, 9) et une partie du corps d’un passager, la partie du corps étant habillée ou non,
- déterminer une valeur d’un indice de confort thermique (TCI) de ce passager en fonction au moins de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact,
- commander les actionneurs thermiques (103, 105, 107, 109) agencés pour agir sur une ou plusieurs zones de contact entre l’équipement de l’habitacle (3, 5, 7, 9) et la partie du corps de ce passager, en fonction au moins de ladite valeur de l’indice de confort thermique (TCI) et de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact.
Le flux thermique par contact (PCont) est obtenu par la relation suivante :
Pcont = HCont χ (SkinT - ContT) où :
• HCont est le coefficient d’échange apparent par contact entre la peau et la surface de l’équipement de l’habitacle (3, 5, 7, 9), • SkinT est la température de peau. En régime stationnaire et à la neutralité thermique on cherche à atteindre une valeur SkinTO pour être au confort thermique, dite température de confort, • ConT est la température de surface de l’équipement (3, 5, 7, 9) en contact avec le vêtement ou la peau du passager.
La température de confort SkinTO varie selon le profil de la personne, son activité métabolique et les zones du corps concernées entre 32° et 36°C.
PCont s’exprime en watt par mètre carré (W/m2) et est compté positivement si le passager est refroidi. Inversement, PCont est compté négativement si le passager est réchauffé.
Avantageusement, et pour davantage de précision, la valeur de l’indice de confort thermique (TCIs), associée au passager dans l’habitacle, est calculée en tenant compte non seulement des échanges thermiques par contact (matérialisés par la valeur du flux thermique par contact PCont), mais également des autres types d’échanges thermiques cités précédemment.
Avantageusement, l’indice de confort thermique (TCIs) est déterminé à partir :
- d’une donnée représentative de l’activité métabolique (METs) du passager, ramenée à la surface d’échange du corps avec l’extérieur
- d’une donnée représentative du flux solaire absorbé directement par la peau sur les surfaces non habillées (SunSkin),
- de données représentatives des flux thermiques échangés par convection et rayonnement infrarouge avec ce passager,
- d’une donnée représentative du flux thermique échangé avec l’environnement du fait de la respiration, de l’évaporation et de la sudation (PResp&Sweat), ramenée à la surface d’échange du corps avec l’extérieur.
Le METs, donnée représentative de l’activité métabolique du passager, est la chaleur produite par le corps ou apportée par la circulation sanguine au niveau global ou local, ramenée à la surface du corps qui participe aux échanges thermiques avec l’extérieur (METs est exprimé en W/m2).
L’ensemble des données intervenant dans l’expression globale du bilan des échanges thermiques pour le calcul de l’indice de confort thermique TCI) s’exprime en W/m2.
L’ensemble des données représentatives du passager et de son environnement thermique permettent de déterminer la valeur de l’indice de confort thermique stationnaire (TCIs) à partir de la formule suivante :
TCIs = k(METs) x (METs + SunSkin - Hex(SkinTO) - PResp&Sweat ) où:
• METs est une valeur représentative de l’activité métabolique de la personne, • SunSkin est le flux solaire absorbé directement par la peau sur les surfaces non habillées, • Hex(SkinTO) est le flux thermique échangé entre la peau et l’environnement extérieur par convection, rayonnement infrarouge, conduction ou contacts, • PResp&Sweat est le flux thermique échangé par respiration, évaporation et sudation, • k(METs) est un coefficient de pondération, fonction de l’activité métabolique METs, permettant de linéariser et normaliser la relation entre le ressenti thermique et la valeur de l’indice de confort thermique TCIs.
Hex(SkinTO) est compté positivement si la personne est refroidie (SkinTO > Ambient Temperature) et négativement si la personne est réchauffée (SkinTO < Ambient Temperature).
Le calcul de Hex(SkinTO) nécessite de connaître la température extérieure des surfaces habillées ClothT, et dépend à ce titre - outre des échanges par convection, rayonnement et conduction - de la résistance thermique de l’habillement RCIoth et du flux solaire SunCloth sur les surfaces habillées.
Hex(SkinTO) = %Cloth x HCIoth x (SkinTO - ClothT) + %Skin x [HConv x (SkinTO - AirT) + HRadSk x (SkinTO - RadT) + PCont ] où :
• %Cloth est la fraction de la surface d’échange avec l’environnement couverte de vêtements, • %Skin est la fraction de surface d’échange avec l’environnement non couverte de vêtements, vérifiant la relation %Cloth + %Skin = 1, • HCIoth est l’inverse de la résistance thermique de l’habillement RCIoth, autrement dit HCIoth est le coefficient d’échange apparent entre la peau et la face extérieure du vêtement de ce passager, • HConv est le coefficient d’échange apparent par convection, entre le vêtement ou la peau de ce passager et l’air extérieur, • HRadSk est le coefficient d’échange apparent par rayonnement infrarouge entre la peau de ce passager et les parois en regard, par exemple une vitre ou la planche de bord, • ClothT est la température extérieure des vêtements, • AirT est la température de l’air extérieur, • RadT est la température radiative de l’environnement extérieur, • PCont est le flux thermique par contact.
ClothT peut être définie par la formule suivante :
ClothT =
SunCloth / (HConv + HRadCI + HCIoth) + [HConvxAirT+HRadClxRadT+HCIothxClothT]/[HConv+HRadCI+HCIoth] où :
• SunCloth représente le flux solaire absorbé par les vêtements.
• HRadCI est le coefficient d’échange apparent par rayonnement infrarouge entre les vêtements de ce passager et l’environnement extérieur.
Le système 1 comporte un ensemble de capteurs permettant la détermination de données représentatives des paramètres intervenant dans le calcul de la valeur des indices de confort thermique stationnaire (TCIs) et dynamique (TCId).
La donnée représentative de l’activité métabolique (METs) est déterminée notamment à partir de données représentatives du passager, notamment son sexe, son âge, sa taille, son poids, son rythme cardiaque, son rythme et amplitude respiratoire.
L’âge, le sexe, la taille et le poids du passager sont de préférence automatiquement identifiés par un algorithme de reconnaissance, en utilisant de préférence un ou des capteurs 6 (une caméra infrarouge par exemple) et un modèle appris, mais peuvent être également renseignés directement par le passager. La caméra 6 peut être une caméra fonctionnant dans le proche infrarouge, agencée pour observer un ou des passagers dans l’habitacle. Le rythme cardiaque et/ou respiratoire du passager peut être fourni par un capteur 8 avec ou sans contact, par exemple une montre ou un dispositif radar, ou être issu d’une des caméras précitées.
Pour déterminer les données représentatives des flux thermiques (SunSkin - Hex(SkinTO) - PResp&Sweat), le système de gestion du confort thermique 1 met en jeu un ensemble de capteurs disposés au sein de l’habitacle. Certains capteurs sont donc aptes à déterminer des paramètres relatifs au passager (par exemple la résistance thermique de l’habillement), tandis que d’autres capteurs sont aptes à déterminer des paramètres relatifs à l’environnement au sein de l’habitacle (par exemple le flux solaire SunSkin, la température de l’air ambiant AirT ou la température radiante extérieure RadT).
Le système 1 comporte un ou plusieurs capteurs d’état thermique 11 apte à mesurer une grandeur thermique relative à l’état thermique du passager. Avantageusement, le capteur d’état thermique 11 est apte à réaliser une mesure directe qui porte sur le passager lui-même. En particulier, le capteur d’état thermique 11 peut mesurer une ou plusieurs grandeurs thermiques liées à différentes zones du corps ou parties du corps du passager (zones ou parties du corps habillées ou non). Les différentes parties du corps du passager peuvent être par exemple : la tête, ou certaines zones du visage, une main, un bras, une jambe, un pied, la nuque, une épaule.
Le capteur d’état thermique 11 est par exemple un capteur infrarouge. Avantageusement, il s’agit d’une caméra infrarouge ou un appareil de capture d’images infrarouge. La caméra infrarouge peut être une camera FIR (Far Infra Red camera, en anglais) opérant dans l’infrarouge lointain (longueur d’onde > 8 μίτι) combinée avec une caméra NIR (Near Infra Red camera, en anglais) opérant dans le proche infrarouge (longueur d’onde < 1 μίτι). Selon un mode de réalisation préféré, le capteur 11 permet de réaliser une cartographie infrarouge du passager, notamment en mesurant la température de points remarquables (nez, joue, etc.). En particulier, le capteur d’état thermique 11 peut être le même capteur utilisé pour la détermination de données représentatives de l’activité métabolique (METs) du passager (capteur 6).
Le système 1 comporte en outre un ou plusieurs capteurs 12 de l’environnement thermique dans l’habitacle aptes à mesurer une ou plusieurs grandeurs relatives à l’environnement thermique au sein de l’habitacle, comme par exemple :
- la température de l’air ambiant dans l’habitacle (AirT),
- la température radiante de l’habitacle (RadT),
- le flux solaire absorbé directement par la peau sur les surfaces non habillées (SunSkin),
- ou encore d’autres données qualifiant l’environnement et permettant d’affiner le modèle de détermination de la valeur de l’indice de confort thermique (TCIs).
Le capteur 12 de l’environnement thermique est par exemple un capteur infrarouge. En particulier, il peut s’agir du même capteur que le capteur d’état thermique 11.
Le système 1 comporte un ou plusieurs capteurs 13 agencés pour déterminer la donnée représentative du flux thermique par contact (PCont). Les capteurs 13 sont disposés au niveau de la ou des zones de contact entre l’équipement de l’habitacle (3, 5, 7, 9) et la partie du corps du passager. Ils sont aptes à communiquer avec l’unité de traitement 2 pour permettre la commande des actionneurs thermiques (103, 105, 107, 109) en fonction des mesures du ou des capteurs 13.
Le capteur 13 est par exemple :
- un fluxmètre apte à mesurer directement le flux thermique normal à la surface du capteur, qui se présente sous la forme d’une « pastille » de quelques mm2 à quelques cm2, lequel capteur sera fixé sur l’équipement concerné à proximité de la surface de contact ;
- des capteurs de température intégrés dans l’équipement concerné à proximité ou sur la surface de contact avec le corps.
Les capteurs (6, 8, 11, 12, 13) sont aptes à fournir à l’unité de traitement 2 des informations sous forme de signaux électriques. Ces capteurs sont reliés à l’unité de traitement 2.
Sur la figure 1, quatre actionneurs thermiques (103, 105, 107, 109) sont représentés. Bien évidemment, plus ou moins d’actionneurs thermiques peuvent être prévus au sein du système de gestion du confort thermique.
Les actionneurs thermiques (103,105,107,109) sont agencés pour appliquer un stimulus thermique local sur la ou les zones de contact entre l’équipement de l’habitacle (3, 5, 7, 9) et la partie du corps du passager concernée, de manière à modifier la donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) en fonction de la valeur de l’indice de confort thermique stationnaire (TCIs) préalablement déterminée par l’unité de traitement 2 et de la valeur courante d’un indice de confort thermique dynamique (TCId), les deux termes étant fonction du flux thermique de contact PCont.
A titre d’exemple illustratif mais non limitatif de l’invention, les actionneurs permettent le réglage d’au moins un paramètre d’un équipement de l’habitacle (3, 5, 7, 9) comme par exemple : un siège 3, un volant 5, un pommeau de levier de vitesse 7, un repose-bras 9. Le système 1 permet ainsi de réguler l’état thermique du passager au niveau local en ciblant la partie du corps en contact avec un équipement (3, 5, 7, 9) chaud ou froid de l’habitacle.
Dans l’exemple représenté sur la figure 1 :
- l’actionneur 103 permet de régler un paramètre d’un siège 3, par exemple la température du siège 3. Ce réglage peut être réalisé localement, par exemple au niveau de l’assise ou du dos du passager, de manière à atteindre un flux thermique de contact PCont qui sera fonction à la fois d’un objectif de ressenti thermique et du flux thermique de référence PContO à la neutralité thermique,
- l’actionneur 105 permet de régler un paramètre du volant 5, par exemple la température du volant 5,
- l’actionneur 107 permet de régler un paramètre d’un pommeau de levier de vitesses 7, par exemple la température du pommeau de levier de vitesses 7,
- l’actionneur 109 permet de régler un paramètre d’un repose-bras 9, par exemple la température du repose-bras 9.
Il est possible d’envisager qu’un autre actionneur permette le réglage d’un paramètre d’un dispositif tel qu’un panneau radiant (non représenté sur la figure 1 ), sa température de surface par exemple. Ce panneau radiant peut être installé dans l’habitacle au niveau de zones de contact potentielles avec un passager telles qu’une portière, la planche de bord, une cave à pieds.
La présente invention consiste ainsi à utiliser une mesure du flux thermique par contact (noté PCont) échangé entre un équipement de l’habitacle (siège, volant, etc.) et une partie du corps du passager (habillée ou non) pour maintenir au confort thermique, ou au contraire pour amener au confort thermique ce passager, en fonction des valeurs d’un indice de confort thermique stationnaire (TCI) au moyen des capteurs installés à bord du véhicule.
Il est possible d’envisager les trois situations suivantes :
1ère situation :
L’unité de traitement 2 détermine une valeur d’indice de confort thermique (TCI) comprise entre -1 et +1. Le passager est donc proche globalement de la neutralité thermique. Cet équilibre thermique (encore appelé neutralité thermique), s’exprime sur l’ensemble du corps en faisant la somme des contributions de chaque partie du corps à l’évacuation de la chaleur produite par l’organisme.
Dans ce cas, on assure un maintien du confort thermique en agissant sur les actionneurs thermiques (103,105,107 et 109) afin d’avoir un flux thermique par contact PContO proche de l’équilibre, compris entre +25 W/m2 et +75 W/m2.
2ème situation :
L’unité de traitement 2 détermine une valeur d’indice de confort thermique (TCI) inférieure à -1. Le passager est alors éloigné de la neutralité thermique et éprouve une sensation de froid. Dans ce cas de figure, il est possible d’améliorer le confort thermique en appliquant un stimulus thermique local (par exemple au niveau d’un équipement 3, 5, 7, 9), via les actionneurs thermiques (103, 105, 107 et 109) afin d’avoir un flux thermique par contact (PCont) compris entre -150 W/m2 et +50 W/m2, pour réchauffer et ramener au confort thermique le passager.
3ème situation :
L’unité de traitement 2 détermine une valeur d’indice de confort thermique (TCI) supérieure à +1. Le passager est alors éloigné de la neutralité thermique et éprouve une sensation de chaud. Dans ce cas de figure, il est possible d’améliorer le confort thermique en appliquant un stimulus thermique local (par exemple au niveau d’un équipement 3, 5, 7, 9), via les actionneurs thermiques (103, 105, 107 et 109) afin d’avoir un flux thermique par contact (PCont) compris entre +50 W/m2 et +200 W/m2, pour refroidir et ramener au confort thermique le passager.
Dans les deux dernières situations, on pourra avantageusement appliquer un stimulus thermique sous la forme :
PCont = PContO + (PContM - PContO) x Exp (-t/tR) avec :
- PContO est la valeur cible du flux thermique de contact à la neutralité thermique,
- PContM est la valeur cible du flux thermique de contact au démarrage, compris entre -150 et +200 W/m2,
- tR est une constante de temps pour moduler la dynamique d’amortissement du flux, typiquement de quelques dizaines de secondes à quelques minutes,
- t est le temps écoulé après le démarrage ou changement important de condition thermique.
Optionnellement, et en substitution des modes automatiques de gestion décrits précédemment, le système de gestion du confort thermique 1 du passager peut disposer d’un mode de contrôle semi manuel. L’unité de traitement 2 est alors agencée pour commander au moins un actionneur thermique (103, 105, 107 et 109) en fonction d’une demande du passager.
La demande du passager peut être de recevoir un stimulus thermique sur la ou les zones de contact entre l’équipement de l’habitacle (3, 5,
7, 9) et une partie de son corps, l’intensité du stimulus thermique étant renseignée directement par ce passager au moyen d’une interface dédiée. L’intensité du stimulus peut prendre l’un des trois niveaux suivants : faible, moyen ou élevé.
Le stimulus thermique appliqué est associé à l’une des situations suivantes :
- demande d’un stimulus thermique de rafraîchissement élevé, pour avoir PCont compris entre 100 et 200 W/m2,
- demande d’un stimulus thermique de rafraîchissement moyen, pour avoir PCont compris entre 75 et 150 W/m2,
- demande d’un stimulus thermique de rafraîchissement faible, pour avoir PCont compris entre 50 et 100 W/m2,
- demande d’un stimulus thermique de chauffage faible, pour avoir PCont compris entre 0 et 50 W/m2,
- demande d’un stimulus thermique de chauffage moyen, de pour avoir PCont compris entre -50 et 25 W/m2,
- demande d’un stimulus thermique de chauffage élevé, pour avoir PCont compris entre -150 et -50 W/m2.
Ces données sont résumées dans le tableau ci-dessous :
| PCont (W/m2) | Rafraîchissement | Chauffage |
| Elevé | 100 < PCont < 200 | -150 < PCont < -50 |
| Moyen | 75 < PCont <150 | -50 < PCont < +25 |
| Faible | 50 < PCont < 100 | 0 < PCont < 50 |
Le diagramme de la figure 4 présente le domaine de fonctionnement entre les stimulis visés et le flux thermique PCont à appliquer.
La présente invention a encore pour objet un procédé de gestion du confort thermique 200 dans un habitacle de véhicule mis en oeuvre par un système de gestion du confort thermique 1 comme décrit précédemment.
En référence à la figure 2, le procédé de gestion du confort thermique 200 comporte les étapes suivantes :
- acquérir 201 une donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) entre un équipement de l’habitacle et une partie du corps d’un passager, la partie du corps étant habillée ou non,
- déterminer 203 une valeur d’un indice de confort thermique (TCI) de ce passager en fonction au moins de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact,
- commander 205 au moins un actionneur thermique agencé pour agir sur une ou plusieurs zones de contact entre l’équipement de l’habitacle et la partie du corps de ce passager, en fonction au moins de ladite valeur l’indice de confort thermique (TCI) et de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Système de gestion du confort thermique (1) dans un habitacle de véhicule, notamment automobile, ledit système comprenant une unité de traitement (2) agencée pour :- acquérir une donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) entre un équipement de l’habitacle (3, 5, 7, 9) et une partie du corps d’un passager, la partie du corps étant habillée ou non,- déterminer une valeur d’un indice de confort thermique (TCI) de ce passager en fonction au moins de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact,- commander les actionneurs thermiques (103, 105, 107, 109) agencés pour agir sur une ou plusieurs zones de contact entre l’équipement de l’habitacle (3, 5, 7, 9) et la partie du corps de ce passager, en fonction au moins de ladite valeur de l’indice de confort thermique (TCI) et de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact.
- 2. Système de gestion du confort thermique (1 ) selon la revendication1 dans lequel l’indice de confort thermique TCI est fonction :- d’un indice de confort thermique stationnaire (TCIs) basé sur un bilan des échanges thermiques de ce passager, en fonction au moins de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact,- d’un indice de confort thermique dynamique (TCId) représentatif d’un ou plusieurs déséquilibres thermiques locaux et transitoires, inconfortables ou confortables, en fonction au moins de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact.
- 3. Système de gestion du confort thermique (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les actionneurs thermiques (103, 105, 107, 109) sont agencés pour appliquer un stimulus local sur la ou les zones de contact entre l’équipement de l’habitacle (3, 5, 7, 9) et la partie du corps de ce passager concernée, de manière à modifier la donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) en fonction de la valeur de l’indice de confort thermique stationnaire (TCIs) préalablement déterminée par l’unité de traitement (2) et de la valeur courante d’un indice de confort dynamique (TCId), ces deux indices étant fonction de PCont.
- 4. Système de gestion du confort thermique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le flux thermique par contact (PContO) utilisé comme valeur cible pour maintenir le confort thermique à la neutralité thermique est obtenu par la relation suivante :PContO = METsO - PResp&Sweat où :- METsO est une valeur représentative de l’activité métabolique de la personne au repos ou faiblement active, ramenée à la surface d’échange du corps avec l’extérieur (W/m2),- PResp&Sweat représente les flux de chaleur échangés par respiration, évaporation et sudation, ramené à la surface d’échange du corps avec l’extérieur.
- 5. Système de gestion du confort thermique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le flux thermique par contact (PCont) utilisé comme valeur cible pour amener la personne au confort thermique est obtenu par la relation suivante :PCont = PContO + (PContM - PContO) x Exp (-t/tR) avec :- PContO est la valeur cible du flux thermique de contact pour maintenir le confort thermique à la neutralité thermique,- PContM est la valeur cible du flux thermique de contact au démarrage, compris entre -150 et +200 W/m2,- tR est la constante de temps qui sert à moduler la dynamique d’amortissement du flux, typiquement de quelques dizaines de secondes à quelques minutes,- t est le temps écoulé après le démarrage ou un changement important de condition thermique.
- 6. Système de gestion du confort thermique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’unité de traitement (2) est agencée pour acquérir également une donnée représentative d’un stress thermique facial de ce passager, à savoir l’écart de températures maximal (ΔΤί) entre deux zones du visage de ce passager, en particulier entre le nez et les joues et ou le front.
- 7. Système de gestion du confort thermique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’actionneur thermique (103, 105, 107, 109) est agencé pour appliquer un stimulus thermique local sur la ou les zones de contact entre l’équipement de l’habitacle (3, 5, 7, 9) et la partie du corps de ce passager, de manière à modifier la donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) en fonction de la valeur de l’indice de confort thermique (TCI).
- 8. Système de gestion du confort thermique (1) selon la revendication 7, dans lequel la donnée représentative du flux thermique par contact (PContO) est modifiée de façon à être comprise entre +25 W/m2 et +75 W/m2 lorsque la valeur de l’indice de confort thermique (TCI) est comprise entre -1 et +1, de préférence la valeur de l’indice de confort thermique (TCI) est comprise entre -0,5 et +0,5.
- 9. Système de gestion du confort thermique selon la revendication 7, dans lequel la donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) est modifiée de façon à être comprise entre +50 W/m2 et +200 W/m2 lorsque la valeur de l’indice de confort thermique TCI est supérieure à +1.
- 10. Système de gestion du confort thermique (1) selon la revendication 7, dans lequel la donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) est modifiée de façon à être comprise entre -150 W/m2 et +50 W/m2 lorsque la valeur de l’indice de confort thermique TCI est inférieure à -1.
- 11. Procédé de gestion du confort thermique (200) pour un habitacle de véhicule, notamment automobile, ledit procédé comportant les étapes suivantes :- acquérir (201) une donnée représentative du flux thermique par contact (PCont) entre un équipement de l’habitacle (3, 5, 7, 9) et une partie du corps d’un passager, la partie du corps étant habillée ou non,- déterminer (203) une valeur d’un indice de confort thermique (TCI) de ce passager en fonction au moins de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact,- commander (205) les actionneurs thermiques (103, 105, 107, 109) agencés pour agir sur une ou plusieurs zones de contact entre l’équipement de l’habitacle (3, 5, 7, 9) et la partie du corps de ce passager, en fonction au moins de ladite valeur de l’indice de confort thermique (TCI) et de ladite donnée (PCont) représentative du flux thermique par contact.
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