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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung des Innenraumklimas
eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In
den meisten Fahrzeugen wird derzeit zur Regelung des Innenraumklimas
bzw. der Innenraumtemperatur als Hauptregler ein P-Regler verwendet, wobei
als Rückführungsgröße lediglich
die mittels eines Sensors gemessene Innenraumtemperatur herangezogen
wird. Vorhandene Hilfsregler sind dabei dem Hauptregler untergeordnet.
Ausgangssignal des Reglers ist eine Stellgröße,
aufgrund der sämtliche für die Klimatisierung
relevanten Zustände (z. B. sämtliche Ausblastemperaturen,
Gebläseleistung, Klappenstellung, usw.) vorgegeben bzw.
berechnet werden. Die Stellgröße kann zusätzlich
in Abhängigkeit eines vorliegenden Tag/Nacht-Signals, der
Außentemperatur und der Solarstrahlung vorab korrigiert
werden.
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Aus
der
DE 26 21 663 A1 ist
ein Verfahren zur Regelung der Innenraumtemperatur auf einen willkürlich
beeinflussbaren Sollwert bekannt, wobei das Regelorgan in Abhängigkeit
vom Vergleich zwischen einem vom Sollwert der Innenraumtemperatur abhängigen
Signal und einem Istwert der von der Heizung abgegebenen Wärmemenge
arbeitet.
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Durch
diese bekannten Verfahren können unter Umständen
vor allem nach einem passiven Aufheizen des Fahrgastraums durch
die Sonne Probleme auftauchen. Wird das Fahrzeug bspw. über
einen längeren Zeitraum in der Sonne abgestellt, heizen
sich im Innenraum bspw. die Umschließungsflächen
je nach Standzeit unterschiedlich stark auf. Dies wird bei einer
herkömmlichen Temperaturregelung, die sich nur auf den
Sensorwert des Innenraumsensors stützt, nicht berücksichtigt.
Sobald die vom Sensor gemessene Temperatur den Sollwert erreicht,
beginnt der Temperaturregler abzuregeln. Zu diesem Zeitpunkt können
die Umschließungsflächen jedoch noch sehr warm
sein und somit das Klimaempfinden des Insassen beeinflussen, d.
h. der Insasse empfindet es noch als zu warm. Analog dazu ist bei
kalten Außentemperaturen die Aufheizungsleistung vor allem
dann zu gering, wenn die Oberflächentemperaturen der Umschließungsflächen
sehr gering sind. In diesem Fall misst zwar der Innenfühler
bald die gewünschte Temperatur, der Insasse friert jedoch
noch aufgrund der kalten Umschließungsflächen.
Bei Außentemperaturen von unter Null Grad und Sonneneinstrahlung
kann auch der Zustand eintreten, dass zu stark geheizt wird.
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Weiter
erfordern konventionelle Systemen zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums,
die eine umfangreiche Einstellung des Klimageräts ermöglichen,
oft eine komplizierte Bedienung, wie z. B. bei einer sog. Schichtungsfunktion.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Klimatisierung
eines Fahrzeugsinnenraums anzugeben, welche einfach in der Bedienung,
und gleichzeitig leicht verständlich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es, anstelle einer auf einer vorgegebenen Soll-Innenraumtemperatur
basierenden Innenraumtemperaturregelung eine wärmemengenbasierende
Klimatisierungsregelung vorzunehmen, wobei der Fahrer (anstelle
einer Sollinnenraumtemperatur) einen gewünschten Sollwert
für die Wärmeabgabemenge des Fahrzeuginsassen
und/oder eine zur aktuellen Wärmeabgabemenge gewünschte Änderung
vorgibt. Um eine derartige wärmemengenbasierte Klimatisierungsregelung
vornehmen zu können, umfasst die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Regelung des Innenraumklimas eines Fahrzeugs eine
entsprechende Bedieneinheit zum Einstellen eines die klimatischen
Anforderungen des Insassen wiedergebenden Sollwertes, die derart
ausgestaltet ist, dass durch entsprechende Betätigung ein
Sollwert für die Wärmeabgabemenge des Fahrzeuginsassen
und/oder eine zur aktuellen Wärmeabgabemenge gewünschte Änderung
der Wärmeabgabemenge einstellbar ist. Weiter umfasst die
Vorrichtung eine Regelungseinheit zum Ermitteln zumindest einer
Stellgröße für die Ansteuerung zumindest
eines die Klimatisierung des Innenraums beeinflussenden Aktuators
(Klappen, Gebläse, Kältekreislauf), wobei die
Regelungseinheit derart ausgestaltet ist, dass die zumindest eine
Stellgröße in Abhängigkeit vom eingestellten
Sollwert für die Wärmeabgabemenge und/oder einer
eingestellten Änderung der aktuellen Wärmeabgabemenge
des Insassen im Fahrzeuginnenraum und einer ermittelten aktuellen
Wärmeabgabemenge des Insassen im Fahrzeuginnenraum ermittelbar
ist.
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Da
bei einer wärmemengenbasierten Klimatisierungsregelung
weniger die tatsächliche bzw. gemessene Innenraumtemperatur,
sondern vielmehr die gesamte mit der Umgebung ausgetauschte Wärmemenge
im Vordergrund steht, kann der Fahrer durch entsprechende Vorgabe
der absoluten Wärm engen bzw. einer relativen Wärmemenge
viel einfacher eine auf seine Bedürfnisse ausgerichtete
Regelung des Innenraumklimas vornehmen.
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Um
ein einfaches Einstellen der gewünschten Sollwerte ermöglichen
zu können, umfasst die oben genannte Bedieneinheit in einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zumindest ein erstes Bedienelement
zum Einstellen einer absoluten Wärmeabgabemenge des Insassen,
die als Sollwert der Regelungseinheit übergeben wird, d.
h. der Fahrer gibt hier nicht eine gewünschte Solltemperatur
vor, sondern direkt eine für ihn angenehme Wärmeabgabemenge.
Zusätzlich oder alternativ kann die Bedieneinheit ein zweites
Bedienelement umfassen, welches bspw. auch in das erste Bedienelement
integriert sein kann, durch dessen Betätigung der Insassen
eine relative Wärmeabgabemenge zur aktuellen Wärmeabgabemenge
vorgegeben kann. Bspw. kann der Fahrer durch eine entsprechende
Betätigung dieses Bedienelements angeben, dass es ihm zu
kalt oder zu warm, oder auch viel zu kalt bzw. viel zu warm ist.
In Abhängigkeit von seiner Auswahl wird dann als gewünschte
Sollwärmeabgabemenge eine zur aktuellen Wärmeabgabemenge
entsprechend höhere oder niedrigere Wärmeabgabemenge
vorgegeben. So kann in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung
das oben genannte zweite Bedienelement derart ausgestaltet bzw.
weitergebildet sein, dass bei einer vorgegebenen ersten Betätigungsart eine
Reduzierung der aktuellen Wärmeabgabemenge um eine vorgegebene
erste negative Wärmeabgabe-Schrittweite einstellbar ist
und/oder bei einer vorgegebenen zweiten Betätigungsart
einer Erhöhung der aktuellen Wärmeabgabemenge
um eine vorgegebene erste positive Wärmeabgabe-Schrittweite
einstellbar ist.
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Da
es für den Fahrer aufgrund der derzeit erhältlichen
Klimaanlagen-Bedieneinheiten einfacher ist, anfangs eine gewünschte
Solltemperatur anzugeben (da ihm eine Temperaturvorgabe vertrauter
ist, als eine absolute Wärmemengevorgabe) ist es ggf. auch
sinnvoll, die Bedieneinheit derart zu gestalten, dass sie zum einen
ein Bedienelement zur Vorgabe einer Solltemperatur enthält,
und zusätzlich ein zweites Bedienelement zum Einstellen
bzw. Vorgeben einer Änderung der aktuellen Wärmeabgabemenge des
Insassen. Somit kann der Insasse anfangs eine Temperatur einstellen,
und dann, wenn die sich dadurch einstellende Wärmeabgabemenge
nicht seinen Bedürfnissen entspricht, diese durch Betätigung des
zweiten Bedienelements abändern, d. h. die Sollwertvorgabe
des zweiten Bedienelement wäre dann auch höher
priorisiert, als die Temperaturvorgabe.
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Vorteilhafterweise
kann das Bedienelement auch derart ausgestaltet sein, dass die Änderung
der Wärmeabgabemenge durch entsprechende Betätigung
adaptiv einstellbar ist. Dies würde bedeuten, dass eine
bestimmte Betätigung des Bedienelements nicht immer zu
einer identischen Änderung der Wärmeabgabemenge
führen muss. Vielmehr kann die Änderung der Wärmeabgabemenge
in Abhängigkeit verschiedener Parameter oder Betriebsbedingungen unterschiedlich
eingestellt bzw. vorgegeben werden. Insbesondere kann bei einer
zuvor genannten Ausgestaltung des zweiten Bedienelements die erste
negative und/oder positive Wärmeabgabe-Schrittweite in
Abhängigkeit vorgegebener Betriebsgrößen und/oder
Parameter und/oder vorangegangener Betätigungsarten variabel
vorgebbar sein, insbesondere derart, dass bei einer erneuten Betätigung
des zweiten Bedienelements (innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls)
eine in Abhängigkeit von der Betätigungsart vorgegebene
Reduzierung oder Erhöhung der Wärmeabgabemenge
um eine gegenüber der vorangegangen Wärmeabgabe-Schrittweite
reduzierte Wärmeabgabe-Schrittweite eingestellt wird. War
es bspw. dem Insassen anfangs zu kalt, kann er das zweite Bedienelement
derart betätigen, dass er eine entsprechende Änderung
der aktuellen Wärmeabgabemenge als Sollwärmeabgabemenge
einstellt. Das Regelsystem regelt die Wärmeabgabemenge auf
eine zur aktuellen Wärmeabgabemenge um eine erste positive
Wärmeabgabe-Schrittweite erhöhte Wärmeabgabemenge.
Ist es dem Fahrer nun zu warm und bringt er dies durch eine ent sprechende Betätigung
des Bedienelements zum Ausdruck, regelt das Regelsystem die Wärmeabgabemenge
dann auf eine zur aktuellen Wärmeabgabemenge um eine negative
Wärmeabgabe-Schrittweite erhöhte Wärmeabgabemenge,
wobei diese negative Wärmeabgabe-Schrittweite nun nur halb
so groß ist, als die erste positive Wärmeabgabe-Schrittweite,
d. h. die Soll-Wärmeabgabemenge ist nun im Vergleich zur ursprünglichen
Wärmeabgabemenge nur noch um die halbe positive Schrittweite
erhöht.
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Vorteilhafterweise
kann die Regeleinheit auch derart ausgestaltet sein, dass sie bei
der wärmemengenbasierten Temperaturregelung mittels eines
thermophysikalischen Ansatzes die bisherige Regelungsstrategie durch
ein physikalisches Modell ersetzt, wobei der Insasse im Mittelpunkt
steht. Da die Berücksichtigung des Energieaustausches zwischen
Insasse, der ihn umgebenden bzw. umströmenden Luft und
den Umschließungsflächen bei der Temperaturregelung
für das Wohlbefinden von wesentlicher Bedeutung ist, basiert
die durch die Regeleinheit vorgenommene Regelstrategie somit in
Abhängigkeit der ermittelten „fehlenden” Wärmemenge im
Fahrzeug. Die Stellgröße für die Ansteuerung
zumindest eines die Klimatisierung des Innenraum beeinflussenden
Parameters zum Erreichen einer Sollgröße kann
dann in einer vorteilhaften Weiterbildung aus der Differenz des
Sollwertes der Wärmeabgabemenge des Fahrzeuginsassen und
der tatsächlichen Wärmeabgabemenge des Fahrzeuginsassen
im Fahrzeuginnenraum ermittelt werden.
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Da
die im Fahrzeuginnenraum tatsächlich abgegebene Wärmemenge
stark von der Übertragung der Wärmemenge zwischen
Insassen und Umschließungsflächen abhängt,
muss dies bei der Ermittlung der tatsächlich abgegebenen
Wärmemenge berücksichtigt werden. Im Winter sind
die Umschließungsflächen oft kalt und der Insasse
gibt somit eine erhebliche Menge an Wärme ab. Bei unzureichender Heizleistung
würde der Insasse zu frieren beginnen. Die gesamte Strahlungsleistung
auf den Insassen aufgrund der Umschließungsflächen
setzt sich aus der Strahlungsleistung der Instrumententafel, der
Türen, der Fenster und des Dachs zusammen. Zur Vermeidung
zusätzlicher Sensoren können die Temperaturen
der Umschließungsflächen und die dadurch verursachte
Wärmeabgabemenge anhand der Daten aus der ohnehin vorhandenen
Sensorik ermittelt werden.
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Neben
der aufgrund der Umschließungsflächen verursachten
Wärmeabgabemenge ist auch die Konvektion, d. h. die Wärmeübertragung
von thermischer Energie von einem Ort zu einem anderen Ort zu berücksichtigen.
Dabei wird zwischen freier und erzwungener Konvektion unterschieden,
wobei bei der freien Konvektion der Teilchentransport ausschließlich
durch Auswirkungen des Temperaturgradienten, also zum Beispiel durch
Auf- bzw. Abtrieb der Teilchen infolge der durch die Temperaturänderung
hervorgerufenen Dichteunterschiede bewirkt wird. Die sog. erzwungene
Konvektion wird durch äußere Einflüsse
(z. B. Gebläse) hervorgerufen.
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Schließlich
kann bei der Ermittlung der tatsächlichen Wärmeabgabemenge
des Insassen im Fahrzeuginnenraum auch die Solarstrahlung berücksichtigt
werden. Diese wirkt sowohl direkt auf den Insassen, wie auch indirekt über
die Umschließungsflächen. Vorteilhafterweise kann
die tatsächliche Wärmeabgabemenge somit aus der
Summe der ermittelten umschließungsflächenabhängigen
Wärmeabgabemenge und/oder der ermittelten solarstrahlungsabhängigen
Wärmeabgabemenge und/oder der ermittelten konvektionsabhängigen
Wärmeabgabemenge ermittelt werden. Die Berechung der fehlenden
Wärmemenge pro Zeit würde somit gemäß nachfolgender
Formel erfolgen: Q .diff = Q .soll – Q .mensch
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Dabei
ist
- Q .soll
- die gewünschte
Soll-Wärmeabgabemenge pro Zeit und
- Q .mensch
- die tatsächliche
Wärmeabgabemenge pro Zeit des Insassen. Diese lässt
sich wiederum durch folgende Formel berechnen:
- Q .mensch
- = Q .konv,innen + Q .konv,ausbl
+ Q .umschfl + Q .solar, wobei
- Q .konv,innen
- die aufgrund der freien
Konvektion verursachte abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge,
- Q .lconv,ausblas
- die aufgrund der erzwungenen Konvektion
(Gebläse) verursachte abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge,
- Q .konv,umschlfl
- die aufgrund der Umschließungsflächen
verursachte abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge, und
- Q .konv,solar
- die aufgrund der Solarleistung verursachte
abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge ist.
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Die
so ermittelte „fehlende” Wärmemenge bzw.
Wärmemengen-Differenz (pro Zeit) kann nun über
eine Kennlinie direkt in eine (herkömmliche) Steuergröße
umgerechnet werden, so dass keine weitere Anpassung der Temperatursteuerung
hinsichtlich der Aktuatoransteuerung in Abhängigkeit von
der Steuergröße vorgenommen werden muss. Alternativ
kann die die ermittelte Wärmemengen-Differenz auch direkt
als Ausgangsgröße künftiger Regler verwendet
werden, d. h. die Wärmemengen-Differenz wird als Stellgröße
herangezogen.
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Anhand
des nachfolgenden Ausführungsbeispiels wird die Erfindung
nochmals näher erläutert. Dabei zeigt die einzige
Figur in vereinfachter Form eine Vorrichtung zur Regelung des Innenraumklimas eines
hier nicht dargestellten Fahrzeugs mit einer Bedieneinheit BE zum
Einstellen eines die klimatischen Anforderungen eines Insassen wiedergebenden
Sollwertes Q .soll oder W– oder W+, und mit einer Regelungseinheit
RE, die im Rahmen einer wärme mengenbasierten Klimaregelung
in Abhängigkeit vom eingestellten bzw. ermittelten Sollwert Q .soll
zumindest eine Stellgröße Y für die Ansteuerung
zumindest eines die Klimatisierung des Innenraums beeinflussenden
Aktuators ermittelt.
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Die
Bedieneinheit BE umfasst ein erstes Bedienelement BE1, durch das
der Insasse durch entsprechende Betätigung direkt einen
gewünschte absoluten Sollwert für die Wärmeabgabemenge
soll vorgegeben
kann.
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Zusätzlich
umfasst die Bedieneinheit BE ein als Toggletaste ausgestaltetes
zweites Bedienelement BE2– und BE2+, durch das der Insasse
eine Änderung W– bzw. W+ der aktuellen Wärmeabgabemenge
(als relativen Sollwert) für die wärmemengebasierte
Klimaregelung vorgeben kann. Durch Betätigung des linken
Teils BE2– des zweiten Bedienelements bringt der Fahrer
zu Ausdruck, dass es ihm momentan zu kalt ist, d. h. die aktuelle
Wärmemengenabgabe ist zu niedrig. Durch Betätigung
des rechten Teils BE2+ des zweiten Bedienelements bringt der Fahrer
zu Ausdruck, dass es ihm momentan zu warm ist, d. h. die aktuelle
Wärmemengenabgabe ist zu hoch. Diese vom Insassen vorgegebenen
absoluten oder relativen Sollwerte für die Wärmeabgabemenge Q .soll
oder W– bzw. W+ werden an die Regelungseinheit RE als Eingangsgröße
weitergeleitet, die dann in Abhängigkeit davon eine entsprechenden Stellgröße
bzw. Steuergröße Y für die Ansteuerung der
Aktuatoren der Klimaanlage ermittelt.
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Solange
das zweite Bedienelement BE2– oder BE2+ vom Insassen nicht
betätigt wird, ermittelt die Regelungseinheit RE direkt
aus dem vom Fahrer vorgegebenen absoluten Sollwert für
die Wärmemengeabgabe Q .soll eine Stellgröße
Y für die Ansteuerung der Aktuatoren.
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Betätigt
der Insasse das zweite Bedienelement BE2– oder BE2+, wird
in Abhängigkeit davon, ob die linke Taste BE2– oder
die rechte Taste BE2+ bestätigt wurde eine positive oder
negative Wärmeabgabe-Schrittweite w (entweder positiv oder
negativer Wert) ermittelt, mit der die aktuelle Wärmeabgabemenge Q .s
beaufschlagt oder reduziert wird. Die Schrittweite w kann unter
Berücksichtigung vorangegangener Betätigungen
n des zweiten Bedienelements BE2+ oder BE2– variabel vorgegeben
werden, so dass bspw. die Schrittweite w in Abhängigkeit
an der Anzahl n der vorangegangenen Betätigungen dieses
zweiten Bedienelement BE2+ oder BE2– innerhalb eines Zeitintervalls
abnimmt (w = 1/n·w). Gibt der Fahrer bspw. anfangs vor,
dass ihm zu kalt ist, reagiert die Regeleinheit RE darauf derart,
dass als Sollwert für die gewünschte Wärmeabgabemenge ein
um die erste Schrittweite w erhöhte Wärmeabgabemenge
vorgegeben wird (Q . soll = Q .s + w), um das „zu kalte” Wärmeempfinden
kompensieren zu können. Betätigung nun der Insasse
den rechten Teil BE2+ des zweiten Bedienelement und bringt dadurch zu
Ausdruck, dass es ihm nun zu warm ist, wird die zuvor verwendete
Wärmeabgabe-Schrittweite w reduziert (z. B. halbiert) und
die Soll-Wärmeabgabemenge entsprechend reduziert (Q .soll
= Q .s – (½·w)), wodurch die zuvor getroffene
Kompensationsmaßnahme teilweise zurückgenommen
wird. Mit der Zeit kann die Regeleinheit somit die Regelstrategie
an die individuellen Bedürfnisse des Insassen adaptieren.
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Zusätzlich
zur Ermittlung der Soll-Wärmeabgabemenge Q .soll wird in der
Regelungseinheit RE die tatsächliche Wärmeabgabemenge Q .s
des Fahrzeuginsassen ermittelt. Diese kann bspw. aus der Summe der
aufgrund der Umschließungsflächen verursachten
abgegebenen bzw. aufgenommenen Wärmemenge, der aufgrund
der Solarleistung verursachten abgegebenen bzw. aufgenommenen Wärmemenge,
aus der aufgrund der freien Konvektion verursachten abgegebenen
bzw. aufgenommenen Wärmemenge und der aufgrund der erzwungenen
Konvektion (Gebläse) verursachten abgegebenen bzw. aufgenommenen
Wärmemenge ermittelt werden.
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Aus
der ermittelten gesamten tatsächlichen Wärmeabgabemenge Q .s
und der ermittelten gewünschten Soll-Wärmeabgabemenge Q .soll
wird durch Differenzbildung in der Einheit D die Wärmemengen-Differenz Q .d
ermittelt.
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Die
so ermittelte „fehlende” Wärmemenge bzw.
Wärmemengen-Differenz Q .d kann nun über eine Kennlinie
KL2 direkt in eine (herkömmliche) Steuergröße.
Y umgerechnet werden, so dass keine weitere Anpassung der Temperatursteuerung
hinsichtlich der Aktuatoransteuerung in Abhängigkeit von
der Steuergröße Y vorgenommen werden muss. Alternativ
kann die die ermittelte Wärmemengen-Differenz auch direkt
als Ausgangsgröße künftiger Regler verwendet
werden, d. h. die Wärmemengen-Differenz wird als Stellgröße
herangezogen.
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Durch
die Möglichkeit der adaptiven Klimaregelung kann sichergestellt
werden, dass die Klimatisierungsautomatik stets auf die individuellen
Komforterfordernisse der Insassen richtig reagiert. Der Insasse
bekommt sein individuelles Wohlfühlklima eingestellt, ohne
kontinuierlich „nachbessern” zu müssen,
da das System automatisch die erforderliche Einstellung berechnet
bzw. vornimmt. Durch die oben beschriebene Toggeltaste ist die Bedienung äußerst intuitiv
und für den Großteil der Nutzer einfach bedienbar.
Durch die Berücksichtigung aller relevanten thermophysikalischen
Einflüsse kann somit das von den Insassen durch Sollwertvorgabe
gewünschte Klima genau eingestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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