DE10156037A1

DE10156037A1 - Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrischen Heizelements einer Kfz-Zusatzheizung

Info

Publication number: DE10156037A1
Application number: DE2001156037
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Thiemann
Original assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Current assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2003-06-05

Abstract

Bei dem Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrischen Heizelements oder innerhalb einer Gruppe von miteinander elektrisch verbundenen elektrischen Heizelementen wird DOLLAR A - während eines Aufheiz- oder eines Abkühlungsvorgangs der durch das Heizelement oder die Gruppe von Heizelementen fließende Strom und die über dem Heizelement oder der Gruppe von Heizelementen abfallende Spannung ermittelt, DOLLAR A - aus den ermittelten Werten für den Strom und die Spannung der Widerstand ermittelt, DOLLAR A - anhand dieser Widerstandswerte der relative Extremwert der Widerstandskennlinie ermittelt und DOLLAR A - überprüft, ob der relative Extremwert innerhalb oder außerhalb eines vorgebbaren Widerstandsbereichs liegt. DOLLAR A Das Heizelement oder die Gruppe von Heizelementen weist eine Widerstandskennlinie über der Temperatur mit einem charakteristischen relativen Extremwert auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrischen Heizelements einer Kfz-Zusatzheizung oder eines elektrischen Heizelements innerhalb einer Gruppe von miteinander verbundener elektrischer Heizelement einer Kfz-Zusatzheizung. Bei dem bzw. jedem Heizelement handelt es sich insbesondere um ein PTC-Widerstandselement.

Zur Komfortsteigerung von Kraftfahrzeugen werden deren Heizsysteme in zunehmendem Maße mit elektrischen Zusatzheizungen versehen, bei denen als elektrische Heizelemente insbesondere PTC-Widerstandselemente (PTC-Bausteine) eingesetzt werden. Aus Gründen der Betriebszuverlässigkeit sollten diese Bausteine auf ihre Funktionstüchtigkeit hin überprüft werden. Dies umfasst die Überprüfung der PTC-Bausteine während des Betriebs auf Defekt oder Einhaltung der Temperatur.

Als Messgrößen stehen dafür grundsätzlich der einen PTC-Baustein oder eine Gruppe von miteinander verschalteten PTC-Bausteinen durchfließende Strom und der Spannungsabfall über einem PTC-Baustein oder einer Gruppe von miteinander verschalteten PTC-Bausteinen zur Verfügung. Aus diesen Messgrößen kann der jeweils aktuelle Widerstandswert ermittelt werden, um dann aus der Widerstandskennlinie (Verlauf des Widerstandes über der Temperatur) auf die aktuelle Temperatur zu schließen. Auf Grund ihres veränderlichen Widerstandes lassen sich PTC-Bausteine nur schlecht im Temperaturbereich überprüfen; denn die die PTC-Bausteine ansteuernde Elektronik hat keine konkreten Anhaltspunkte zur aktuellen Temperatur.

Je nach der Temperatur des PTC-Bausteins kann der Widerstand bis zu 95% variieren, weshalb sich weder ein Defekt eines PTC-Bausteins noch dessen aktuelle Temperatur anhand des Stroms und/oder der Spannung sicher erfassen lässt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrischen Heizelements zu schaffen, mit dem sich ein nicht ordnungsgemäß arbeitendes Heizelement sicher erfassen lässt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung gemäß einer ersten Variante ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrischen Heizelements vorgeschlagen, bei dem

- während eines Aufheiz- oder eines Abkühlungsvorgangs der durch das Heizelement oder die Gruppe von Heizelementen fließende Strom und die über dem Heizelement oder der Gruppe von Heizelementen abfallende Spannung ermittelt wird,
- aus den ermittelten Werten für den Strom und die Spannung der Widerstand ermittelt wird,
- anhand dieser Widerstandswerte der relative Extremwert der Widerstandskennlinie ermittelt wird und
- überprüft wird, ob der relative Extremwert innerhalb oder außerhalb eines vorgebbaren Widerstandsbereichs liegt.

Bei der Erfindung wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass elektrische Heizelemente ein und desselben Typs trotz mit der Temperatur stark variierenden Widerstandswerten im wesentlichen gleich große charakteristische Widerstandswerte aufweisen, bei denen es sich jeweils um den relativen (und auch absoluten) Extremwert der Widerstandskennlinie handelt. Beidseitig dieses relativen und absoluten Extremwerts (z. B. Minimum der Widerstandskennlinie über der Temperatur) weist die Kennlinie also eine Steigung mit unterschiedlichen Vorzeichen auf. Im Falle eines PTC-Bausteins z. B. weist die Widerstandskennlinie bei ca. 60°C ihr Minimum auf. Sowohl zu kleineren als auch zu größeren Temperaturen hin (ausgehend von ca. 60°C) steigt der elektrische Widerstand also an.

Wird also beim Betrieb der Kfz-Zusatzheizung von niedrigen Temperaturwerten zu hohen Temperaturwerten die Kennlinie für jedes Heizelement oder für jede Gruppe von untereinander verschalteten Heizelementen "durchfahren", so kann durch kontinuierliches, quasi-kontinuierliches oder in Intervallen erfolgendes Abfragen der Strom- und Spannungswerte der jeweils aktuelle Widerstandswert ermittelt werden. Damit kann aber auch der charakteristische relative Extremwert der Widerstandskennlinie ermittelt werden. Liegt dieser Extremwert innerhalb eines vorgebbaren Bereichs, so ist das Heizelement bzw. sind die Heizelemente einer Gruppe von Heizelementen in Ordnung. Andernfalls kann ein Defekt angezeigt werden.

Der charakteristische Extremwert der Widerstandskennlinie kann entweder beim Aufheizen eines Heizelements oder einer Heizelementgruppe, d. h. wenn das Heizelement oder die Heizelemente mit einem zunehmenden Strom bestromt wird, oder aber beim Abkühlen, also bei einer abnehmenden Bestromung messtechnisch ermittelt werden.

Nach dem gleichen Prinzip, nämlich der Untersuchung der Widerstandskennlinie, kann auch die Betriebstemperatur eines elektrischen Heizelements ermittelt bzw. überprüft werden, und zwar ohne einen externen oder internen Temperaturfühler.

Hierzu wird gemäß einer zweiten Variante der Erfindung, die auch mit der zuvor erläuterten ersten Erfindungsvariante kombinierbar ist, ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem

- während eines Aufheiz- oder eines Abkühlungsvorgangs der durch das Heizelement oder die Gruppe von Heizelementen fließende Strom und die über dem Heizelement oder der Gruppe von Heizelementen abfallende Spannung ermittelt wird,
- aus den ermittelten Werten für den Strom und die Spannung der Widerstand ermittelt wird,
- anhand dieser Widerstandswerte die Veränderung der Widerstandskennlinie ermittelt wird,
anhand der Veränderung der Widerstandskennlinie ermittelt wird, innerhalb welches Bereichs de Widerstandskennlinie sich der Arbeitspunkt des Heizelements oder der Gruppe von Heizelementen befindet und
- anhand des Widerstandswertes des Heizelements oder der Gruppe von Heizelementen im Arbeitspunkt und des ermittelten Bereichs der Widerstandskennlinie die Temperatur des Heizelements oder der Gruppe von Heizelementen ermittelt wird.

Bei dieser zweiten Variante wird anhand des Verlaufs der Widerstandskennlinie im Arbeitspunkt des Heizelements oder der Heizelementgruppe ermittelt, bei welcher Temperatur bzw. in welchem Temperaturbereich das Heizelement bzw. die Heizelementgruppe gerade betrieben wird (nämlich oberhalb oder unterhalb der dem charakteristischen Wert der Widerstandskennlinie entsprechenden Temperaturwert. Hierzu ist der Widerstandsverlauf über der Temperatur in einem Speicher oder Controller abgelegt. Damit kann überprüft werden, ob das Heizelement bzw. die Heizelementgruppe mit der beabsichtigten Temperatur betrieben wird.

Das Durchfahren der Widerstandskennlinie kann während des Betriebs eines Heizelements oder einer Gruppe von Heizelementen durch kurzzeitiges Unterbrechen der Bestromung und Wiedereinschaltung nach Ablauf einer gewissen Zeitspanne erfolgen, die derart bemessen ist, dass das Heizelement bzw. die Heizelementgruppe auf einen Wert unterhalb der dem charakteristischen Extremwert der Widerstandskennlinie entsprechenden Temperaturwert abgekühlt ist.

Um überprüfen zu können, auf welchem Ast der Widerstandskennlinie sich der aktuelle Arbeitspunkt des Heizelements bzw. der Heizelementgruppe befindet, reicht es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung aus, wenn beim Aufheizvorgang der charakteristische Extremwert der Widerstandskennlinie passiert ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des Beispiels eines PTC-Widerstandselements als elektrisches Heizelement unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen dabei:
Fig. 1 die charakteristische Widerstands/Temperatur-Kennlinie eines PTC- Widerstandselements,
Fig. 2 die charakteristische Strom/Temperatur-Kennlinie eines PTC-Widerstandselements und
Fig. 3 eine Messanordnung zur Funktionsüberwachung eines PTC-Widerstandselements anhand des Widerstandskennlinienverlaufs auf der Grundlage des das PTC-Widerstandselement durchfließenden elektrischen Stroms und der über den PTC-Widerstandselement abfallenden elektrischen Spannung.
Fig. 1 und 2 zeigen die charakteristischen Widerstands- und Stromverläufe eines PTC-Widerstandselements 10 (siehe Fig. 3) in Abhängigkeit von der Temperatur. Zu erkennen ist, dass die Widerstandskennlinie gemäß Fig. 1 bei 60°C ihren lokalen bzw. relativen und absoluten Extremwert (Minimum) aufweist; bei dieser Temperatur weist die Stromkennlinie ihren Maximalwert (lokal bzw. relativ und absolut) auf. Der charakteristische minimale Widerstandswert wird nun herangezogen, um das PTC-Widerstandselement 10 hinsichtlich seiner aktuellen Temperatur sowie auf Ausfall zu überwachen.
Hierzu werden während eines Aufheizvorgangs des PTC-Widerstandselements 10 der durch dieses fließende Strom (z. B. als Spannungsabfall U_Shunt über einem temperaturinvarianten konstanten Shunt-Widerstand 12 oder durch Verwendung eines Transistors mit Strom-Ausgang - Current-sense-Ausgang) und der Spannungsabfall U_PTC über dem PTC-Widerstandselement 10 messtechnisch erfasst, und zwar fortlaufend, quasi-kontinuierlich oder in vorgebbaren Abtastintervallen (siehe Fig. 3). Die Messwerte werden einer Steuer- und Auswerteeinheit 14 zugeführt, die das PTC-Heizelement entsprechend einer gewünschten Heizleistung ansteuert. In der Steuer- und Auswerteeinheit 14 wird aus den jeweils aktuellen Messwerten der jeweilige Widerstandwert berechnet. Während des Aufheizvorgangs kann anhand des Verlaufs der Widerstandswerte erkannt werden, auf welchem Ast, nämlich auf den abfallenden Ast 16 oder dem ansteigenden Ast 18 sich der Arbeitspunkt des PTC-Widerstandselements befindet. Damit ist eine Zuordnung der augenblicklichen Betriebstemperatur zu einem der beiden Temperaturbereiche 20, 22 und darüber hinaus die Ermittlung der aktuellen Temperatur des PTC- Widerstandselements möglich, und zwar anhand der in der Steuer- und Auswerteeinheit 14 abgelegten Widerstandskennlinie.
Ergibt sich z. B. auf Grund der Messwerte für den Strom durch das und den Spannungsabfall über dem PTC-Widerstandselement 10 ein Widerstandswert R_aktuell (siehe Fig. 1), so kann zunächst einmal keine Aussage darüber getroffen werden, ob das PTC-Widerstandselement 10 die Temperatur T₁ oder T₂ aufweist. Erst durch die Ermittlung des Astes 16 oder 18, auf dem der aktuelle Arbeitspunkt des PTC-Widerstandselements 10 liegt, kann aus dem Widerstandswert Raktuell anhand der abgelegten Widerstandskennlinie nunmehr die aktuelle Temperatur ermittelt werden.
Beim Passieren des Widerstandsminimums kann dessen Wert ermittelt werden. Durch Vergleich mit einem in der Steuer- und Auswerteeinheit abgelegten zulässigen Wertebereichs für das Widerstandsminimum kann dann ein Defekt (z. B. Ausfall) des PTC-Widerstandselements 10 festgestellt werden. BEZUGSZEICHENLISTE 10 PTC-Widerstandselement
14 Auswerteeinheit
16 abfallender Ast
18 ansteigender Ast
20 Temperaturbereich
22 Temperaturbereich

Claims

1. Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrischen Heizelements oder innerhalb einer Gruppe von miteinander elektrisch verbundenen elektrischen Heizelementen, wobei das Heizelement oder die Gruppe von Heizelementen eine Widerstandskennlinie über der Temperatur mit einem charakteristischen relativen Extremwert aufweist und wobei bei dem Verfahren
während eines Aufheiz- oder eines Abkühlungsvorgangs der durch das Heizelement oder die Gruppe von Heizelementen fließende Strom und die über dem Heizelement oder der Gruppe von Heizelementen abfallende Spannung ermittelt wird,
aus den ermittelten Werten für den Strom und die Spannung der Widerstand ermittelt wird,
anhand dieser Widerstandswerte der relative Extremwert der Widerstandskennlinie ermittelt wird und
überprüft wird, ob der relative Extremwert innerhalb oder außerhalb eines vorgebbaren Widerstandsbereichs liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Defekt angezeigt wird, wenn der relative Extremwert innerhalb des vorgebbaren Widerstandsbereichs liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement ein PTC-Widerstand ist und dass der relative Extremwert ein relativer Minimalwert der Widerstandskennlinie ist.

4. Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrischen Heizelements oder innerhalb einer Gruppe von miteinander elektrisch verbundenen elektrischen Heizelementen, wobei das Heizelement oder die Gruppe von Heizelementen eine Widerstandskennlinie über der Temperatur mit einem charakteristischen relativen Extremwert aufweist und wobei bei dem Verfahren
während eines Aufheiz- oder eines Abkühlungsvorgangs der durch das Heizelement oder die Gruppe von Heizelementen fließende Strom und die über dem Heizelement oder der Gruppe von Heizelementen abfallende Spannung ermittelt wird,
aus den ermittelten Werten für den Strom und die Spannung der Widerstand ermittelt wird,
anhand dieser Widerstandswerte die Veränderung der Widerstandskennlinie ermittelt wird,
anhand der Veränderung der Widerstandskennlinie ermittelt wird, innerhalb welches Bereichs de Widerstandskennlinie sich der Arbeitspunkt des Heizelements oder der Gruppe von Heizelementen befindet und
anhand des Widerstandswertes des Heizelements oder der Gruppe von Heizelementen im Arbeitspunkt und des ermittelten Bereichs der Widerstandskennlinie die Temperatur des Heizelements oder der Gruppe von Heizelementen ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Defekt angezeigt wird, wenn die ermittelte Temperatur von einer Solltemperatur um mehr als ein vorgebbares Maß abweicht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Widerstandskennlinienbereichs, in dem sich der aktuelle Arbeitspunkt des Heizelements oder der Gruppe von Heizelementen befindet, anhand des Passierens des relativen Extremwerts der ermittelten Widerstandskennlinie erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlphase während eines zwischenzeitlichen Ausschaltens des im Arbeitspunkt betriebenen Heizelements oder der im Arbeitspunkt betriebenen Gruppe von Heizelementen durchlaufen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizphase im Anschluss an ein zwischenzeitliches Ausschalten durchlaufen wird, nachdem das Heizelement oder die Gruppe von Heizelementen im Anschluss an ein während des Betriebs im Arbeitspunkt erfolgendes zwischenzeitiges Ausschalten wieder eingeschaltet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement ein PTC-Widerstand ist und dass der relative Extremwert ein relativer Minimalwert der Widerstandskennlinie ist.