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Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb einer in einem Kraftfahrzeug zum Beheizen eines Bauteils einsetzbaren Heizung, die wenigstens einen Heizleiter und einen Regler zum Regeln der Oberflächentemperatur des beheizbaren Bauteils umfasst.
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Herkömmliche Heizungen, die in Kraftfahrzeugen zum Beheizen eines Bauteils verwendet werden, umfassen üblicherweise für jeden Heizkreis einen NTC-Widerstand, der zur Ist-Temperaturbestimmung und zur Regelung der Bauteiltemperatur, insbesondere der Oberflächentemperatur des Bauteils, dient. Ein derartiger Heizkreis verursacht allerdings einen beträchtlichen baulichen Aufwand, da neben dem NTC-Widerstand ein eigenes Steuergerät mit zugehöriger Verkabelung erforderlich ist. Heizungen dieser Art können beispielsweise als Sitzheizung in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
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In der
DE 197 52 135 wird ein Verfahren zur temperaturabhängigen Regelung des Heizstroms einer Sitzheizung vorschlagen. Die Sitzheizung umfasst ein Sensorelement zur Temperaturerfassung. Anhand der festgestellten Differenz zwischen der Sensortemperatur und einem Vergleichswert wird eine Heizphasendauer festgelegt und die Sitzheizung eine Heizphasendauer lang eingeschaltet.
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Aus der
DE 43 18 432 A1 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Autositzheizung bekannt. Für unterschiedlich gestaltete Sitze wird empirisch eine optimale Heizleistung ermittelt und in einem Speicher abgespeichert. Die Werte der Heizleistung sind in dem Speicher als Tabelle abgelegt, die jeweils benötigte passende Heizleistung wird der Tabelle entnommen und zur Einstellung der Autositzheizung verwendet. Daneben wird das Problem angesprochen, dass die Temperaturmessung nicht an der Sitzoberfläche vorgenommen werden kann, dort wo die Heizwirkung von einem Benutzer tatsächlich wahrgenommen wird. Allerdings erlauben derartige Tabellenwerte keine Anpassung an verschiedene Umgebungsbedingungen.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 033 222 A1 offenbart eine Steuerung einer Sitzheizung, bei der Heizleistungen bzw. Heizdauern von Heizstufen in Abhängigkeit von Außentemperaturwerten vorgegeben werden.
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Die nachveröffentlichte Druckschrift
DE 10 2012 004 526 A1 offenbart ein Verfahren für den Betrieb einer Heizung eines Sitzes eines Kraftfahrzeugs. Aus einem gemessenen Strom und einer gemessen Spannung wird ein elektrischer Widerstand eines Heizleiters berechnet, aus dem wiederum die Temperatur des Heizleiters berechnet wird. Anhand der Temperatur des Heizleiters wird eine Oberflächentemperatur eines Sitzes berechnet und diese Oberflächentemperatur wird mithilfe eines Reglers geregelt.
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In der Lehre der
DE 10 2006 034 466 A1 wird eine Sitzheizung zur Beheizung eines Sitzes eines Kraftfahrzeugs genutzt, wobei der zeitliche Verlauf des Aufheizverhaltens der Sitzheizung ausgewertet wird. Es werden ein Betriebsstrom und eine Betriebsspannung eines Heizdrahtes der Sitzheizung erfasst, woraus der Widerstand des Heizdrahtes ermittelt wird. Die ermittelte Sitztemperatur kann zur Regelung der Sitzheizung dienen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für den Betrieb einer in einem Fahrzeug zum Beheizen eines Bauteils einsetzbaren Heizung anzugeben, das eine höhere Regelungsgüte ermöglicht, ohne dass dazu ein zusätzlicher baulicher Aufwand erforderlich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den folgenden Schritten vorgesehen:
- - Berechnen des elektrischen Widerstands des Heizleiters anhand eines gemessenen Stroms und einer gemessenen Spannung,
- - Berechnen der Temperatur des Heizleiters anhand des berechneten elektrischen Widerstands und eines Temperaturkoeffizienten,
- - Berechnen einer Oberflächentemperatur des beheizbaren Bauteils anhand der Temperatur des Heizleiters, und
- - Regeln der Oberflächentemperatur des Bauteils mittels des Reglers, wobei das Aufheizen bis zum Erreichen einer festgelegten Temperatur mit maximaler Heizleistung erfolgt.
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Die Erfindung beruht auf der Idee, durch eine Strommessung und eine Spannungsmessung den elektrischen Widerstand des Heizleiters zu ermitteln. Da der Temperaturkoeffizient des Heizleiters bekannt ist, kann mittels des elektrischen Widerstands die Temperatur im Heizleiter berechnet werden. Die gesuchte Oberflächentemperatur des beheizten Bauteils kann anhand der für den Heizleiter berechneten Temperatur über eine weitere Berechnungsfunktion ermittelt werden. Die Oberflächentemperatur des beheizbaren Bauteils ist die Regelgröße, die mittels des Reglers geregelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Heizung keinen NTC-Termistor benötigt, der vergleichsweise teuer ist und eine aufwendige Verkabelung erfordert. Vorzugsweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein PID-Regler zur Regelung der Oberflächentemperatur des beheizbaren Bauteils eingesetzt werden. Versuche haben gezeigt, dass auf diese Weise eine genaue Modellierung des Aufheiz- und Abkühlverhaltens möglich ist, sodass die Oberflächentemperatur des Bauteils präzise geregelt werden kann.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der PID-Regler eine oder zwei Zeitkonstanten aufweist. Die besten Ergebnisse werden bei einem PID-Regler mit zwei Zeitkonstanten erhalten. Dieses Modell ist einerseits besonders genau, andererseits kann es einfach implementiert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für eine aus mehreren, insbesondere zwei oder drei, Heizkreisen bestehende Heizung. Dementsprechend kann die für das Beheizen eines Bauteils vorgesehene Heizung mehrere Heizkreise aufweisen. Das Vorsehen mehrerer separater Heizkreise ermöglicht eine optimale Temperaturregelung für einzelne Abschnitte des zu beheizenden Bauteils.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Heizung ein Steuergerät für den Regler zugeordnet wird und jeder Heizkreis von einer Endstufe angesteuert wird. Bei dieser Ausgestaltung ist für jeden Heizkreis eine separate Endstufe vorgesehen, die eine individuelle Temperaturregelung ermöglicht. Es ist auch denkbar, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich einem Heizkreis ein Temperatursensor zugeordnet wird und der wenigstens eine andere Heizkreis keinen Temperatursensor aufweist, oder dass alternativ kein Heizkreis einen Temperatursensor aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht grundsätzlich eine Temperaturmessung ohne dass dazu ein aufwändiger NTC-Termistor benötigt wird. Stattdessen wird - wie bereits erläutert - die Temperatur des Heizleiters indirekt anhand des berechneten elektrischen Widerstands und eines Temperaturkoeffizienten bestimmt. Dennoch sind Ausgestaltungen denkbar, bei denen zumindest einem Heizkreis ein Temperatursensor zugeordnet wird, sodass auch eine Plausibilisierung der indirekt bestimmten Temperatur des Heizleiters möglich ist.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die Laststrommessung über Endstufen mit Signalausgang zur Strommessung oder über Shunt-Widerstände erfolgt.
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Um den Komfort für einen Benutzer zu erhöhen, ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass das Aufheizen bis zum Erreichen einer festgelegten Temperatur mit maximaler Heizleistung erfolgt.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass mehrere Temperaturmodelle vorgesehen sind, wobei ein bestimmtes für die Regelung der Oberflächentemperatur verwendetes Modell anhand wenigstens eines der folgenden Kriterien ausgewählt wird:
- - Innentemperatur des Kraftfahrzeugs;
- - Außentemperatur des Kraftfahrzeugs;
- - Sitzbelegungserkennung;
- - Gurtschlosskontakt;
- - Öffnen einer Tür;
- - Sonnenstand.
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Die Entscheidung, welches Temperaturmodell passend ist, wird von dem Steuergerät getroffen, anhand des ausgewählten Temperaturmodells erfolgt die Regelung der Oberflächentemperatur des Bauteils mittels des Reglers.
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Vorzugsweise ist der Regler bei den erfindungsgemäßen Verfahren kontinuierlich in Betrieb. Dies ist zweckmäßig, da die Berechnung der Oberflächentemperatur anhand der Temperatur des Heizleiters erst im stationären Zustand des Heizleiters aussagekräftige Ergebnisse liefert. Die Stellgröße des Reglers ist vorzugsweise ein pulsweitenmoduliertes Signal.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann für jegliche beheizbare Bauteile eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, vorzugsweise für eine Sitzheizung, eine Heckscheiben- oder Frontscheibenheizung, einer Außenspiegelheizung, für die Beheizung von Scheibenwaschdüsen, für eine Blow-By-Heizung, für eine Antibeschlagheizung einer Kamera eines Fahrerassistenzsystems, oder für eine Kopfraumheizung. Selbstverständlich können auch mehrere Bauteile mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beheizt werden.
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Daneben betrifft die Erfindung eine Heizung für ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs. Die erfindungsgemäße Heizung zeichnet sich dadurch aus, dass sie zur Durchführung des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass es wenigstens eine Heizung der beschriebenen Art aufweist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine Darstellung des Temperaturflusses bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 3 ein Diagramm, das den Temperaturverlauf über der Zeit zeigt; und
- 4 den zeitlichen Verlauf der Pulsweitenmodulation.
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1 ist ein Flussdiagramm und zeigt die wesentlichen Schritte des Verfahrens für den Betrieb einer Heizung zum Beheizen eines Bauteils in einem Kraftfahrzug.
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Die Heizung weist einen Heizleiter und einen Regler zum Regeln der Oberflächentemperatur des beheizbaren Bauteils auf. In einem ersten Verfahrensschritt 1 erfolgt eine Messung des den Heizleiter durchfließenden Stroms und der angelegten Spannung. Nach der Messung von Spannung und Strom kann im Schritt 2 der Widerstand des Heizleiters berechnet werden. Als weitere Eingangsgröße wird der Temperaturkoeffizient des Heizleiters benötigt. In diesem Fall besteht der Heizleiter aus Kupfer, alternativ könnte auch eine Kupferlegierung verwendet werden. Diese Werkstoffe besitzen einen Temperaturkoeffizienten, der größer als 0,003 1/K ist, sodass eine ausreichend große Widerstandsänderung bei einer Temperaturänderung auftritt, wodurch die Genauigkeit der Bestimmung des Widerstands erhöht wird.
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Die Berechnung des elektrischen Widerstands des Heizleiters erfolgt folgendermaßen: bei eingeschalteter Heizung wird die Differenz einer Lastspannung der Sitzheizungslast berechnet und zum Laststrom in Beziehung gesetzt, wodurch sich der gesuchte Ist-Widerstand des Heizleiters ergibt.
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Zum Messen der Sitzheizungslast, die die Dimension einer Spannung hat, wird die Heizung für einen festgelegten Zeitraum im Millisekundenbereich ausgeschaltet. Da die Aufheizung des Bauteils eine große Zeitkonstante hat, erfolgt die Temperaturbestimmung im Sekundenbereich. Anschließend kann der elektrische Widerstand des Heizleiters berechnet werden, Eingangsgrößen sind dafür ein Referenzwiderstand, der durch einen Vergleich mit einer indirekt gemessenen Temperatur erhalten wird. Die indirekt gemessene Temperatur kann z. B. die von einer Klimaanlage erfasste Innenraumtemperatur sein. Zusätzlich fließt der Temperaturkoeffizient des Heizleiters, der eine Werkstoffkonstante ist, in die Berechnung ein, ebenso die von einem anderen Gerät, z. B. der Klimaanlage, gemessene Temperatur sowie die berechnete Heizleitertemperatur (Schritt 3), die auf dem gemessenen Strom und der gemessenen Spannung basiert.
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Anhand der auf diese Weise berechneten Heizleitertemperatur kann die Oberflächentemperatur des beheizbaren Bauteils im Schritt 4 berechnet werden. Durch den Regler erfolgt im Schritt 5 eine Regelung der Oberflächentemperatur des beheizbaren Bauteils. In 1 erkennt man, dass das Verfahren kontinuierlich, das heißt in einer Schleife, durchgeführt wird.
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2 ist ein Diagramm und zeigt schematisch den Temperaturfluss bei der Durchführung des Verfahrens zum Beheizen des Bauteils.
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Die Heizleistung 6 dient als Stellgröße für die Beeinflussung der Heizleitertemperatur 7. Im Rahmen einer Modellbildung wird zur Regelung der Oberflächentemperatur des Bauteils ein PID-Regler verwendet, der ein PT1-Verhalten aufweist, was durch das Symbol 8 angedeutet wird.
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Durch die Beeinflussung der Heizleitertemperatur 7 mittels des PID-Reglers erfolgt eine Regelung der Oberflächentemperatur 9 des beheizbaren Bauteils.
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In Abhängigkeit von der Erfüllung bestimmter Kriterien kann ein anderes oder ein geändertes Modell für das Verhalten des Heizleiters verwendet werden. Im Schritt 10 wird von dem Regler eine Entscheidung darüber getroffen, ob ein anders oder ein abgeändertes Modell für die Regelung verwendet wird. Gemäß einer ersten Variante 11 kann z. B. in einem Kraftfahrzeug der Status einer Sitzbelegungserkennung herangezogen werden. Gemäß einer zweiten Variante 12 kann die Innentemperatur oder alternativ die Außentemperatur des Kraftfahrzeugs berücksichtigt werden. Gemäß einer dritten Variante 13 kann ein Modell ausgewählt werden, das den Status eines Gurtschlosskontakts berücksichtigt.
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Nach der Auswahl einer der Varianten 11, 12 oder 13 wird die Regelung der Oberflächentemperatur des beheizbaren Bauteils auf der Basis des ausgewählten Modells im Schritt 14 durchgeführt. Ein etwaiger Wärmeeintrag oder Wärmeaustrag durch eine Person, also einen Fahrzeugnutzer, kann im Schritt 15 berücksichtigt werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist das beheizbare Bauteil als Fahrzeugsitz bzw. Fahrzeugsitzheizung ausgebildet. Durch das beschriebene Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass für die Erfassung der Oberflächentemperatur des Sitzes kein aufwändiger NTC-Termistor erforderlich ist. Stattdessen kann mittels des beschriebenen Verfahrens zunächst aus einer Strom- und Spannungsmessung der Widerstand des Heizleiters abgeleitet werden, daraus kann wiederum die aktuelle Heizleitertemperatur berechnet werden. Mittels der beschriebenen Modellbildung kann anhand der berechneten Heizleitertemperatur auf die Oberflächentemperatur des beheizbaren Bauteils, beispielsweise auf die Oberflächentemperatur eines beheizbaren Fahrzeugsitzes, geschlossen werden. Bei dem Modell, das den PID-Regler verwendet, wird ein PT1-Verhalten des Heizleiters angenommen, das sehr gut mit dem tatsächlichen Temperaturverlauf übereinstimmt.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel weist die Sitzheizung zwei unabhängige Heizkreise auf, von denen ein Heizkreis für eine Sitzfläche und der andere Heizkreis für eine Sitzlehne vorgesehen ist. Jeder Heizkreis wird über eine unabhängige Endstufe in einem Steuergerät angesteuert. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Steuergerät somit zwei unabhängige Endstufen auf.
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Wichtig für die Funktion des Verfahren ist, dass der Regler kontinuierlich arbeitet, da die vorgenommene Interpolation von der Heizleitertemperatur 7 auf die Oberflächentemperatur 9 des Sitzes erst im stationären Zustand des Heizleiters verlässliche Ergebnisse liefert.
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3 zeigt den Verlauf der Oberflächentemperatur über der Zeitachse. 4 zeigt das zugehörige pulsweitenmodulierte Signal, ebenfalls über der Zeit. Im ersten Teil der in den 3 und 4 gezeigten Diagramme ist das pulsweitenmodulierte Signal eingeschaltet bzw. aktiv, sodass Heizleistung von dem Heizleiter abgegeben wird, wodurch sich die Oberflächentemperatur des beheizbaren Bauteils, z. B. die Oberflächentemperatur eines Fahrzeugsitzes, erhöht. Zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 liegt kein pulsweitenmoduliertes Signal an, wie in 4 gezeigt ist. Dementsprechend geht die Temperatur zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 um einen bestimmten Betrag zurück. Zum Zeitpunkt T2 wird das pulsweitenmodulierte Signal wieder eingeschaltet, sodass die Oberflächentemperatur des beheizbaren Bauteils wieder ansteigt. Das Verhalten des beheizbaren Bauteils beim Abkühlen und Aufheizen wird durch das jeweils ausgewählte Modell nachgebildet, wobei angenommen wird, dass der Heizleiter ein PT1-Verhalten zeigt.
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Das beschriebene Verfahren kann nicht nur für eine Sitzheizung eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden, weitere zweckmäßige Anwendungen sind eine Lenkradheizung, eine Heckscheibenheizung, eine Frontscheibenheizung, eine Außenspiegelheizung oder eine Heizung für ein anderes Bauteil eines Kraftfahrzeugs, das temporär elektrisch erwärmt werden muss.
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Bei einer Heck- oder Frontscheibenheizung kann die Scheibentemperatur in der beschriebenen Weise indirekt erfasst und unterhalb des Taupunkts gehalten werden, der von der Luftfeuchte und Lufttemperatur beeinflusst wird.
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In ähnlicher Weise kann bei Kenntnis der Temperatur des Außenspiegels eine Erwärmung so erfolgen, dass eine gleichbleibende Temperatur oberhalb des Taupunkts geregelt wird.
