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Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung sowie einen elektrischen Verbraucher für ein Kraftfahrzeug.
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In einem Kraftfahrzeug sind eine Vielzahl von Verbrauchern angeordnet, die üblicherweise von zumindest einer zentralen Steuereinheit gesteuert oder geregelt werden. Dabei erfolgt die Steuerung oder Regelung in Abhängigkeit eines Steuerparameters, welcher häufig eine Messgröße ist, deren Wert mit Hilfe eines Sensors ermittelt wird.
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Aus der zum Anmeldezeitpunkt unveröffentlichten
DE 10 2014 201 569.3 ist eine Heizeinrichtung als elektrischer Verbraucher beschrieben, bei der die Leistungsversorgung kontaktlos, also galvanisch getrennt über eine induktive oder kapazitive Leistungsübertragungsschnittstelle erfolgt. Insbesondere ist diese Heizeinrichtung dabei als beheizbare Fußmatte eines Kraftfahrzeugs ausgebildet.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Betrieb und die Ansteuerung eines derartigen elektrischen Verbrauchers in einem Kraftfahrzeug zu verbessern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuerungseinrichtung für einen elektrischen Verbraucher in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine zentrale Steuereinheit zur Abgabe eines Steuersignals an den Verbraucher, wobei dem Verbraucher eine Sensoreinheit mit einem Sensor zur Erfassung des Werts einer den Zustand des Verbrauchers charakterisierenden Messgröße zugeordnet ist und die Sensoreinheit ein Kommunikationsmodul für eine drahtlose Kommunikationsverbindung mit der zentralen Steuereinheit aufweist. Weiterhin wird die Energie zum Betrieb der Sensoreinheit aus der Kommunikationsverbindung gewonnen.
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Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass bei derartigen Verbrauchern, deren Betrieb in Abhängigkeit einer sensorisch zu erfassenden Messgröße erfolgt, üblicherweise ein erheblicher Verdrahtungsaufwand zur Einbindung des jeweiligen Sensors zur Erfassung der Messgröße erforderlich ist. Durch die drahtlose Kommunikation der Sensoreinheit und der Steuereinheit ist zum einen keine drahtgebundene Kommunikationsleitung erforderlich. Weiterhin ist aufgrund der Energieversorgung mit aus der Kommunikationsverbindung gewonnener Energie auch keine drahtgebundene Integration in das Bordnetz des Kraftfahrzeugs erforderlich. Die Sensoreinheit kann daher vollständig kontaktlos, also ohne Drahtverbindung betrieben werden. Dadurch entfällt zum einen der Verdrahtungsaufwand. Zum anderen ist dadurch eine sehr flexible, nahezu beliebige Positionierung und Platzierung der Sensoreinheit innerhalb des Kraftfahrzeugs ermöglicht. Beispielsweise kann die Sensoreinheit auch ohne Weiteres hinter Verkleidungen etc. positioniert werden, ohne dass Durchführungen von Leitungen erforderlich wären.
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In bevorzugter Ausgestaltung umfasst dabei das Kommunikationsmodul ein RFID-Element, über welches die Kommunikation mit der zentralen Steuereinheit erfolgt. Komplementär weist auch die zentrale Steuereinheit ein entsprechendes RFID-Element auf. Insbesondere sind die RFID-Elemente der Sensoreinheit sowie der zentralen Steuereinheit für eine bidirektionale Kommunikation ausgebildet. Über die Steuereinheit wird hierbei eine Abfrage des Wertes der Messgröße initiiert, welcher dann von der Sensoreinheit an die Steuereinheit übertragen wird.
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In bevorzugter Ausgestaltung umfasst dabei die Sensoreinheit einen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung der aus der Kommunikationsverbindung gewonnenen Energie. Bei dem Energiespeicher handelt es sich beispielsweise um einen geeignet dimensionierten Kondensator. Der Energiespeicher dient dabei zur Energieversorgung der Sensoreinheit sowie insbesondere auch des Sensors. Über den Energiespeicher wird quasi ein Puffer bereitgestellt, so dass die über die Kommunikationsverbindung enthaltene Energie auch zu einem Zeitpunkt zur Verfügung steht, wenn die Kommunikationsverbindung nicht mehr besteht.
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In zweckdienlicher Ausgestaltung ist die Sensoreinheit zur zeitdiskreten Abfrage der Messgröße ausgebildet und die Kommunikationsverbindung ist nur während der zeitdiskreten Abfrage ausgebildet. Es handelt sich also nicht um eine permanente Kommunikationsverbindung. Vielmehr wird von der zentralen Steuereinheit in wiederkehrenden Zeitabständen beispielsweise im Bereich von Sekunden der aktuelle Wert der Messgröße abgefragt. Aufgrund dieser nur zeitdiskreten Kommunikationsverbindung ist der Energiespeicher von besonderer Bedeutung, um den ordnungsgemäßen Betrieb der Sensoreinheit auch außerhalb der Zeiten der Kommunikationsverbindung zu gewährleisten.
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Vorzugsweise ist die zentrale Steuereinheit weiterhin zur Regelung des Verbrauchers in Abhängigkeit des vom Sensor ermittelten Werts der Messgröße ausgebildet. Die Messgröße bildet daher einen Regelparameter, mit dessen Hilfe der Betrieb des Verbrauchers geregelt wird.
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Weiterhin ist der Sensor zweckdienlicherweise als Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Verbrauchers selbst ausgebildet. Hierdurch wird daher eine Regelung und Steuerung beispielsweise eines Heizelements im Kraftfahrzeug in einfacher Weise zuverlässig und bedarfsgerecht gewährleistet.
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Der elektrische Verbraucher ist daher in bevorzugter Ausgestaltung als ein Heizelement ausgebildet. Insbesondere handelt es sich dabei um eine beheizbare Fußbodenmatte oder auch andere innerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnete insbesondere flächige elektrische Heizelemente. Die Sensoreinheit ist integraler Bestandteil des Heizelements und beispielsweise zwischen zwei Lagen eingebettet.
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Der Verbraucher und insbesondere das Heizelement sind weiterhin mit einem Energieübertragungsmodul zur kontaktlosen Übertragung von elektrischer Leistung ausgebildet, wobei diese elektrische Leistung für den Betrieb des Verbrauchers herangezogen wird. im Falle der Ausgestaltung als ein Heizelement liegt die zu übertragende elektrische Leistung typischerweise im Bereich von mehreren 100 Watt bis zu einigen Kilowatt. Das Heizelement ist dabei insbesondere gemäß der
DE 10 2014 201 569.3 ausgebildet. Deren Offenbarungsgehalt insbesondere die Beschreibung zu den
1 bis
5 wird hiermit in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen.
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Das Energieübertragungsmodul ist daher als eine kontaktlose Energieübertragungsschnittstelle ausgebildet. Zweckdienlicherweise ist es hierbei zur induktiven und/oder kapazitiven Leistungsübertragung ausgebildet und umfasst daher entsprechende elektrische Bauteile, wie beispielsweise einen Kondensator und/oder eine Spule.
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Komplementär zu dem Energieübertragungsmodul des Verbrauchers ist auch kraftfahrzeugseitig ein weiteres Energieübertragungsmodul angeordnet. Die beiden Energieübertragungsmodule sind dabei typischerweise im montierten Zustand in fester Position zueinander orientiert.
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Durch die Ausgestaltung des elektrischen Verbrauchers, welcher kontaktlos mit Leistung versorgt wird und durch die drahtlose Kommunikationsverbindung mit der Energieversorgung der Sensoreinheit ausschließlich über die Kommunikationsverbindung ist daher insgesamt eine elektrische Funktionseinheit, vorzugsweise eine beheizbare Fußbodenmatte, geschaffen, welche vollständig ohne elektrische Anschlussleitungen auskommt. Hierdurch wird die die Fehleranfälligkeit gering gehalten und insbesondere auch eine leichte Auswechselbarkeit beispielsweise zu Reinigungszwecken etc. gewährleistet.
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Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch einen derartigen elektrischen Verbraucher, insbesondere ein Heizelement, welcher eine Sensoreinheit aufweist, die einen Sensor zur Erfassung des Werts einer den Zustands des Verbrauchers charakterisierenden Messgröße umfasst. Die Sensoreinheit weist dabei weiterhin ein Kommunikationsmodul für eine drahtlose Kommunikationsverbindung mit einer zentralen Steuereinheit auf und ist derart ausgebildet, dass die Energie zum Betrieb der Sensoreinheit aus der Kommunikationsverbindung gewonnen wird. Die im Hinblick auf die Steuerungsvorrichtung angeführten vorteilhaften und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den elektrischen Verbraucher zu übertragen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt in einer schematischen Darstellung eine Steuerungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug umfassend eine zentrale Steuereinheit und eine beheizbare Fußbodenmatte, welche über die zentrale Steuereinheit angesteuert wird.
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Die in der 1 dargestellte Steuerungseinrichtung 2 umfasst eine zentrale Steuerungseinheit 4 sowie einen elektrischen Verbraucher 6, welcher von der zentralen Steuerungseinheit 4 angesteuert wird. Hierzu wird von der zentralen Steuerungseinheit 4 ein Steuersignal S abgegeben.
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Bei dem elektrischen Verbraucher 6 handelt es sich insbesondere um ein Heizelement, vorzugsweise eine beheizbare Fußmatte, welche innerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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Der elektrische Verbraucher 6 ist zur drahtlosen Energieversorgung ausgebildet und umfasst hierzu ein erstes Energieübertragungsmodul 8A, welches im montierten Zustand mit einem zweiten Energieübertragungsmodul 8B für eine drahtlose Leistungsübertragung zusammenwirkt. Das zweite Energieübertragungsmodul 8B ist dabei kraftfahrzeugseitig fest angeordnet. Die beiden Energieübertragungsmodule 8A, 8B weisen als zentrale Energieübertragungselemente im Falle einer induktiven Leistungsübertragung eine Sende- und Empfängerspule und im Falle einer kapazitiven Energieübertragung Kondensatorelemente auf. Ergänzend weisen diese Energieübertragungsmodule 8A, 8B weitere Steuereinheiten auf, über die gegebenenfalls die Energieübertragung gesteuert und aufbereitet wird. Das kraftfahrzeugseitige zweite Energieübertragungsmodul 8B empfängt von der zentralen Steuerungseinheit 4 das Steuersignal S. In Abhängigkeit des Steuersignals S wird die übertragene Leistung und damit die Heizleistung gesteuert.
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Die Steuerung erfolgt dabei anhand einer Regelstrecke, wobei hierzu die Temperatur des elektrischen Verbrauchers 6 erfasst wird. Hierzu ist dem Verbraucher 6 eine Sensoreinheit 10 zugeordnet und insbesondere in den Verbraucher 6 direkt integriert. Die Sensoreinheit 10 weist hierbei einen Sensor 12, insbesondere einen Temperatursensor auf. Über diesen wird die aktuelle Temperatur des Verbrauchers und / oder der Umgebung erfasst.
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Die Sensoreinheit 10 ist insgesamt zur drahtlosen Signalübermittlung ausgebildet, übermittelt daher die gemessenen Werte der Temperatur über eine drahtlose, bidirektionale Kommunikationsverbindung mittels Kommunikationssignalen K an die zentrale Steuereinheit 4.
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Die Sensoreinheit 10 ist weiterhin als eine energieautarke Einheit ausgebildet. Hierunter wird vorliegend verstanden, dass keine drahtgebundene oder batteriebetriebene Stromversorgung für den Betrieb der Sensoreinheit erforderlich ist. Vielmehr wird die für den Betrieb der Sensoreinheit erforderliche Energie ausschließlich aus der drahtlosen Kommunikationsverbindung zwischen Sensoreinheit 10 und der zentralen Steuereinheit 4 erhalten. Hierzu umfasst die Sensoreinheit 10 ein erstes Kommunikationsmodul, welches als RFID-Element 14A ausgebildet ist oder ein solches zumindest umfasst. Diesem ist auf Seiten der zentralen Steuerungseinheit ein zweites als RFID-Element 14B ausgebildetes Kommunikationsmodul zugeordnet. Bei der RFID-Technologie (Radio Frequency Identification) handelt es sich um ein bekanntes und etabliertes Sende-Empfängersystem, welches generell einen Transponder und ein Lesegerät umfasst. Im vorliegenden Fall wird jeweils eine bidirektionale Kommunikation ausgebildet, so dass beide RFID-Elemente 14A, 14B sowohl einen Transponder als auch ein Lesegerät aufweisen. Der Transponder wiederum besteht typischerweise aus einem Mikrochip, sowie einer Antenne, welche auf einem Träger aufgebracht sind. Im vorliegenden Fall ist in dem verbraucherseitigen RFID-Element 14A ein passiver RFID-Transponder integriert, welcher also aus den Funksignalen, die es vom zweiten RFID-Element 14B der zentralen Steuereinheit 4 erhält, mit Energie versorgt wird. Hierzu ist beispielsweise eine Empfangsantenne nach Art einer Spule ausgebildet.
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Weiterhin ist in der Sensoreinheit 10 ein Energiespeicher 16 nach Art eines Pufferspeichers integriert, welcher beispielweise als Kondensator ausgebildet ist.
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Während des Betriebs wird von der zentralen Steuereinheit 4 regelmäßig zu diskreten Zeitpunkten der jeweils aktuelle Temperaturwert von der Sensoreinheit 10 abgefragt. Hierzu wird also eine Kommunikationsverbindung zeitdiskret zu der Sensoreinheit 10 aufgebaut. Während der Dauer dieser Kommunikationsverbindung wird die Energie aus dem übertragenen Funksignal erhalten und in dem Energiespeicher 16 zwischengespeichert. Die gespeicherte Energiemenge ist dabei vorzugsweise derart bemessen, dass sie (maximal) für einen (einzigen) derartigen Abfragezyklus ausreicht. Unter Abfragezyklus wird hierbei das einmalige Messen des Temperaturwerts sowie die Übermittlung des gemessenen Temperaturwerts an die zentrale Steuerungseinheit 4 verstanden.
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Nach Erhalt des Abfragesignals wird also von der Sensoreinheit 10 über den Temperatursensor 12 die Messung des aktuellen Temperaturwerts veranlasst und an die zentrale Steuerungseinheit 4 übermittelt.
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Mit der hier beschriebenen Steuerungsvorrichtung 2, die innerhalb eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, wird der besondere Vorteil erreicht, dass für den gesamten Betrieb des elektrischen Verbrauchers 6, also insbesondere der Heizmatte keine elektrischen drahtgebundenen Kontaktverbindungen zum Verbraucher 6 erforderlich sind. Der Verbraucher selber kann daher einfach entfernt und ausgetauscht werden. Auch besteht hierdurch die Möglichkeit, schwierig gelegene Verbraucher, die beispielsweise hinter Kunststoffblenden etc. angeordnet sind, ohne Durchführungen und damit auch ohne zugehörige Abdichtprobleme sensorisch zu erfassen. Insgesamt arbeitet daher die Steuerungseinrichtung 2 insofern rein passiv und ist damit wartungsfrei.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Steuerungseinrichtung
- 4
- zentrale Steuerungseinheit
- 6
- elektrischer Verbraucher
- 8A
- erstes Energieübertragungsmodul
- 8B
- zweites Energieübertragungsmodul
- 10
- Sensoreinheit
- 12
- Temperatursensor
- 14A
- erstes RFID-Element (Kommunikationsmodul)
- 14B
- zweites RFID-Element (Kommunikationsmodul)
- 16
- Energiespeicher
- S
- Steuersignal
- K
- Kommunikationssignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014201569 [0003, 0013]
