Beschlag-/Antibeschlagsensor der H2TD-Serie
Effektive Strategien zur Vermeidung von Beschlag für moderne Fahrzeuge
Autor: Todd Eckhardt, Principal System Architect, Transportation Sensors
Von den Anfängen, als man Kondenswasser mit einem Lappen abwischte, bis zur Entwicklung von Scheibenwischern und HLK-Anlagen hat die Transportindustrie immer nach neuen Wegen gesucht, um das Sichtfeld des Fahrers frei zu halten. Heutige Fahrzeuge verfügen über ausgeklügelte Systeme, die Windschutzscheiben und neuerdings auch Kameraobjektive automatisch freihalten. Statt bei jedem Anzeichen von Nebel die Einstellungen manuell vornehmen zu müssen, verlassen sich moderne Klimaanlagen auf Sensoren, die nur bei Bedarf automatisch aktiviert werden. Diese Systeme zielen darauf ab, genau das richtige Maß an Eingriffen zu ermöglichen, um ein nahtloses, energieeffizientes und ablenkungsfreies Fahren zu gewährleisten.
Vorteile für die Sicherheit
Klare Sicht ist die Voraussetzung für sicheres Fahren, insbesondere bei wechselnden Witterungsbedingungen. Diese Notwendigkeit wurde weltweit durch staatliche Vorschriften durchgesetzt, wie z. B. die Verordnung (EU) Nr. 672/2010 der Kommission, die vorschreibt, dass alle Fahrzeuge mit einem System zur Entfernung von Beschlag auf der Innenseite der Windschutzscheibe ausgestattet sein müssen. Mit einer wirksamen Strategie zur Vermeidung von Beschlägen können Automobilhersteller das Risiko der Beschlagbildung verringern, potenzielle Ablenkungen minimieren, weltweite Vorschriften einhalten und das allgemeine Bewusstsein der Fahrer schärfen.
Vorteile für die Energieeffizienz
Die Aufrechterhaltung des Wirkungsgrades ist eine große Herausforderung für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) und andere energiebewusste Designs. Die Fähigkeit, Beschlagbildung vorherzusehen und zu verhindern, reduziert den Bedarf an energieintensivem, reaktivem Entfeuchten. Die genaue Erkennung von Beschlagzuständen ermöglicht es den Systemen, sich nur bei Bedarf zu aktivieren und die Oberflächentemperaturen präventiv anzupassen, um die Bildung von Kondenswasser zu verhindern. Dieser Ansatz benötigt weniger Energie als die Rückumwandlung des vorhandenen Kondenswassers in Dampf, was dazu beiträgt, Batteriestrom zu sparen und die Gesamteffizienz und Reichweite des Fahrzeugs zu verbessern.
Strategien zur Beschlagprävention
Im Mittelpunkt einer Strategie zur Beschlagprävention stehen Feuchtigkeitssensoren. Durch die Messung des Taupunktes – der Temperatur, bei der sich Kondenswasser bildet – ermöglichen Feuchtigkeitssensoren die Vorhersage von Beschlag und die Aktivierung von Gegenmaßnahmen wie die Beheizung von Kameraobjektiven oder die automatische Anpassung des HLK-Systems.
Die Vorhersage eines Beschlagzustands stützt sich auf drei Hauptmessungen:
- relative Feuchte
- Temperaturmessung von Umgebungsumgebungen
- Oberflächentemperatur der Zieloberfläche (typischerweise die Windschutzscheibe oder das Kameraobjektiv)
Kondenswasser entsteht, wenn die Oberflächentemperatur der Windschutzscheibe unter den Taupunkt fällt. Der Taupunkt (°C) ist eine Funktion der relativen Feuchte und der Umgebungstemperatur, ausgedrückt als Taupunkt(°C) = ƒ(RH, T), und kann mit verschiedenen Algorithmen geschätzt werden. Durch die Analyse dieser Eingaben kann das System die Wahrscheinlichkeit von Kondensation beurteilen, indem es die Taupunkttemperatur mit der Oberflächentemperatur der Windschutzscheibe vergleicht.
Festlegen des idealen Schwellenwerts
Die Festlegung eines optimalen Schwellenwerts zwischen der Temperatur der Windschutzscheibe und dem Taupunkt ist von entscheidender Bedeutung, da ein kleiner, genau kalibrierter Schwellenwert eine effiziente Leistung des HLK-Systems ermöglicht. Wenn der Schwellenwert zu hoch eingestellt ist, kann das HLK-System zu früh aktiviert werden, was zu unnötigem Energieverbrauch führt. Umgekehrt kann sich bei einer zu niedrigen Schwelle Beschlag auf der Windschutzscheibe bilden. Dies führt zu manuellen Eingriffen und erhöhtem Energieverbrauch, um das Kondenswasser wieder in Dampf umzuwandeln.
Abbildung 1: veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Windschutzscheibentemperatur und Taupunktschwelle.
Abbildung 1 zeigt ein ideales Szenario, in dem die Klimaanlage so eingestellt ist, dass sie aktiviert wird, kurz bevor die Temperatur der Windschutzscheibe den Taupunkt erreicht. Die Minimierung dieser Schwelle unter Berücksichtigung möglicher Fehler ist wichtig, um das Fahrerlebnis zu verbessern und die mögliche Reichweite von Elektromotoren zu erhöhen.
Das Festlegen eines idealen Schwellenwerts und das Bereitstellen einer genauen Nebelerkennung hängen von folgenden Faktoren ab:
- Hochpräzise Taupunktmessungen
- schnelle Reaktionszeit für die Temperatur der Windschutzscheibe
- Langzeit-Messstabilität
- minimale thermische Interferenz durch die Umgebung
Bedeutung der Sensorplatzierung
Standort, Standort, Standort. Genau wie bei Immobilien ist der Standort für die Platzierung von Sensoren entscheidend. Um das Beschlagen der Windschutzscheibe zu verhindern, ist die Mitte oben auf der Windschutzscheibe, die häufig für Rückspiegel, Kameras und Antennen verwendet wird, der ideale Ort. Diese Position ist am weitesten von den Randbedingungen entfernt und minimiert den Einfluss externer Faktoren wie Sonneneinstrahlung und thermische Störungen des HLK-Systems.
Die Platzierung von Sensoren an weniger optimalen Standorten kann zu einer Beeinträchtigung der Messungen durch heiße oder kalte Stellen und andere thermische Störungen führen, die die Genauigkeit des Sensors und die Wirksamkeit der Nebelbekämpfungsstrategie beeinträchtigen.
Abbildung 2: veranschaulicht die ideale Platzierung von Feuchtigkeitssensoren für Anwendungen zur Beschlagprävention.
Eigenständige vs. Kombinationssensoren
Eine beliebte Strategie bei vielen OEMs ist die Verwendung eines Kombinationssensors, der Regen, Sonnenlicht und Luftfeuchtigkeit in einem einzigen Modul vereint. Dieser Ansatz soll durch Vermeidung mehrerer Leiterplattenbaugruppen und Gehäuse die Kosten senken. Die Befestigungsposition befindet sich normalerweise oben in der Mitte der Windschutzscheibe, in der Nähe oder im Bereich des Rückspiegels.
Obwohl diese Strategie Vorteile für die Messung der Sonneneinstrahlung bietet, gibt es auch einige Nachteile und Überlegungen für Anwendungen zur Beschlagvermeidung:
- Wärmeentwicklung: Kombinationssensoren enthalten in der Regel mehrere aktive Komponenten, die die Regen- und Sonnenlichtfunktion unterstützen und Wärme erzeugen, was die Messgenauigkeit beeinträchtigen kann1.
- Größe: Kombinationssensoren sind in der Regel etwa 60 % größer als eigenständige Feuchtesensoren2.
- Konsolidierung von RLS: Die bildverarbeitungsbasierte Kamerasensorik entwickelt sich rasant weiter, um die Anforderungen an die Regen-, Licht- und Sonnenerkennung zu erfüllen, was auf eine Verschiebung des Bedarfs an traditionellen Kombinationssensoren und ihrer Rolle in Fahrzeugarchitekturen hindeutet.
Abbildung 3: veranschaulicht den Größenunterschied zwischen dem branchenführenden Kombinationssensor und dem Antibeschlagsensor von TE.
Merkmale und Vorteile
Beschlagsensoren: Merkmale und Vorteile
Der Beschlag-/Antibeschlagsensor von TE Connectivity, der in einem kompakten und anpassbaren Gehäuse untergebracht ist, verfügt über Elemente zur Messung der relativen Feuchte und des negativen Temperaturkoeffizienten, die die Berechnung des Taupunkts und die Messung der Temperatur der Windschutzscheibe ermöglichen.
Kompakte Größe
Der Sensor verfügt über einen kompakten Formfaktor (29,5 mm x 21,6 mm x 17,4 mm), der eine präzise Platzierung ermöglicht. Sein anpassbares Gehäuse und seine geringe Größe erleichtern die Integration in moderne Fahrzeugdesigns, insbesondere in der oberen Mitte der Windschutzscheibe.
Hohe Genauigkeit und Leistung
Der Sensor liefert genaue Taupunktmessungen (±1,5 °C), isoliert von der Windschutzscheibe, und ermöglicht so zuverlässige Daten, die nicht von Umwelteinflüssen beeinflusst werden. Durch die Isolierung der Scheibentemperaturmessung von Umgebungseinflüssen liefert der Sensor präzise Messwerte, die die Vorhersagefähigkeit des Systems verbessern und eine optimierte Aktivierung der Klimaanlage ermöglichen.
| Technische Eigenschaften | |||
|---|---|---|---|
| Messbereich und Genauigkeit | Betrieb | Speicher | Feuchtigkeit |
| –40 °C bis +90 °C | –40 °C bis +105 °C | 0 bis 100 % relative Luftfeuchtigkeit | |
| ±2 °C des vollständigen Messbereichs | ±1,5 °C Taupunkt | ||
| Versorgungsspannung | 12 V | Stromverbrauch | max. 10 mA |
| Kommunikation | Digital LIN 2,2 | ||
| Befestigung | Metallklemme | ||
Potenzial für die Beschlagentfernung auf Kameraobjektiven
Nach vorne gerichtete Kameras, die in der Nähe der Windschutzscheibe montiert sind, können den eigenständigen Antibeschlagsensor aus dem Bereich des Rückspiegels nutzen, um Maßnahmen zur Vermeidung von Beschlägen zu unterstützen. Für Kameras, die an anderen Positionen montiert sind, muss jedoch eine eigene Strategie entwickelt werden, um eine klare Sichtlinie zu erhalten. TE bietet auch Lösungen auf Chipebene an, die in das Kamerasystem integriert werden können, um vorausschauende Gegenmaßnahmen bei Kondensation zu unterstützen.
Schlussfolgerung
Die Modernisierung der Strategien zur Verhinderung des Beschlagens der Windschutzscheibe gibt den Automobilherstellern die notwendigen Werkzeuge an die Hand, um die Sicherheit zu erhöhen, die Energieeffizienz zu steigern und das Fahrerlebnis zu verbessern. Durch die Integration von präziser Feuchtemessung, genauer Taupunktmessung, strategischer Sensorplatzierung und optimierter Schwellwertberechnung können diese Systeme nun zuverlässig Gegenmaßnahmen aktivieren, um das Beschlagen von Windschutzscheiben und Kameraobjektiven zu verhindern.
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