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Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb einer Heizung eines Sitzes eines Kraftfahrzeugs, die wenigstens einen Heizleiter und einen Regler zum Regeln der Temperatur des Sitzes umfasst.
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Herkömmliche Sitzheizungen für Kraftfahrzeuge weisen normalerweise für jeden Heizkreis einen NTC-Widerstand auf, der zur Ist-Temperaturbestimmug und Regelung der Sitztemperatur, insbesondere der Oberflächentemperatur des Sitzes, dient. Ein derartiger Heizkreis verursacht allerdings einen beträchtlichen Aufwand, da neben dem NTC-Widerstand ein eigenes Steuergerät mit zugehöriger Verkabelung erforderlich ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für den Betrieb einer Heizung eines Sitzes eines Kraftfahrzeugs anzugeben, bei dem kein NTC-Widerstand 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 Sitzes anhand der Temperatur des Heizleiters; und Regeln der Oberflächentemperatur des Sitzes mittels des Reglers.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Kosten für einen vergleichsweise teuren NTC-Widerstand und ein entsprechendes Steuergerät sowie für die benötigte Verkabelung beträchtlich reduziert werden können, indem zunächst der elektrische Widerstand des Heizleiters von Messwerten abgeleitet wird. Anhand eines bekannten Temperaturkoeffizienten kann mittels des berechneten elektrischen Widerstands auf die Temperatur des Heizleiters geschlossen werden, die Temperatur des Heizleiters ermöglicht ihrerseits die Ermittlung der aktuellen Oberflächentemperatur des Sitzes, die anschließend geregelt werden kann. Die Regelung erfolgt durch Beeinflussen des durch den Heizleiter fließenden Stroms. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, die Oberflächentemperatur des Sitzes eines Kraftfahrzeugs zu regeln, ohne dass ein aufwändiger Temperatursensor, beispielsweise ein NTC-Widerstand, benötigt wird.
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Eine noch höhere Genauigkeit der Temperaturbestimmung kann erzielt werden, indem eine Kalibrierung des Heizleiters anhand einer mittels einer anderen Temperaturmessung erfassten Temperatur durchgeführt wird. Vorzugsweise dient dazu die von einem anderen kraftfahrzeugeigenen Sensor erfasste Temperatur, beispielsweise kann es sich um die von der Klimaanlage gemessene Innenraumtemperatur handeln.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Kalibrierung des Heizleiters in regelmäßigen Abständen durchgeführt wird, wobei es bevorzugt wird, die Kalibrierung nach mehrstündiger Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs durchzuführen. In diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass die z. B. von der Klimaanlage gemessene Temperatur mit der aktuellen Oberflächentemperatur des Sitzes übereinstimmt.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Oberflächentemperatur des Sitzes besonders einfach berechnet werden, indem eine lineare Näherungsfunktion verwendet wird. Auf diese Weise sind lediglich Grundrechenarten erforderlich, um die Oberflächentemperatur von der Temperatur des Heizleiters abzuleiten. Dementsprechend kann die Oberflächentemperatur des Sitzes mit geringem Rechenaufwand und äußerst schnell erhalten werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es bevorzugt, dass die Regelung der Oberflächentemperatur des Sitzes anhand der berechneten Oberflächentemperatur erfolgt. Durch diese Vorgehensweise kann auf einen separaten NTC-Widerstand oder dergleichen verzichtet werden.
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Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Heizung des Sitzes mehrere, vorzugsweise zwei, Heizkreise aufweist, wobei ein erster Heizkreis einer Sitzlehne und ein zweiter Heizkreis einer Sitzfläche zugeordnet wird. Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können beide Heizkreise unabhängig voneinander geregelt werden, wodurch elektrische Energie eingespart werden kann, Daneben betrifft die Erfindung eine Sitzheizung für ein Kraftfahrzeug. Die erfindungsgemäße Sitzheizung zeichnet sich dadurch aus, dass sie zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ist.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass es wenigstens eine Sitzheizung der beschriebenen Art aufweist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellung und zeigen:
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1 ein Diagramm des Verlaufs der berechneten Temperatur des Heizleiters und die an einem Sitz gemessene Oberflächentemperatur über der Zeit; und
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2 ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Sitzheizung.
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Nachfolgend wird das Verfahren für den Betrieb einer Heizung eines Sitzes eines Kraftfahrzeugs erläutert. Die Heizung umfasst wenigstens einen Heizleiter und einen Regler zum Regeln der Temperatur des Sitzes.
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In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt eine Messung des den Heizleiter durchfließenden Stroms und der angelegten Spannung. Nach der Messung von Spannung und Strom kann der Widerstand des Heizleiters ermittelt werden. Als weitere Eingangsgröße wird der Temperaturkoeffizient des Heizleiters benötigt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Heizleiter aus Kupfer, alternativ könnte auch eine Kupferlegierung verwendet werden. Diese Stoffe besitzen vorzugsweise einen Temperaturkoeffizienten, der größer als 0,003 1/K ist, so dass eine ausreichend große Widerstandsänderung bei einer Temperaturänderung auftritt, wodurch die Genauigkeit erhöht wird.
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Im einfachsten Fall umfasst der Sitz eine Heizung mit einem einzigen Heizleiter, im Allgemeinen sind jedoch zwei unabhängige Heizleiter für eine Sitzlehne und eine Sitzfläche vorgesehen. Die Ansteuerung der einzelnen Heizkreise erfolgt über unabhängige Endstufen mit einem Steuergerät, wobei jedem Heizkreis eine Endstufe zugeordnet ist.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist kein Temperatursensor (NTC-Widerstand) vorgesehen, die Regelung erfolgt ausschließlich mittels der berechneten Temperatur des Heizleiters und der davon abgeleiteten Oberflächentemperatur des Sitzes. Es sind jedoch auch Varianten denkbar, bei denen eine Sitzheizung zwei Heizkreise aufweist, von denen lediglich ein Heizkreis mit einem NTC-Widerstand ausgestattet ist.
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Im allgemeinen ist ein entsprechender Signalausgang zur Strommessung bereits vorhanden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne zusätzliche Hardwarekomponenten umgesetzt werden kann. Andernfalls könnte eine Strommessung über Shunt-Widerstände erfolgen. Es ist auch möglich, an Stelle der Verwendung eines diskreten Shunt-Widerstands den Messwiderstand für die Strommessung direkt aus dem Kupfer einer Leiterplatte auszubilden. Eine weitere Alternative wäre die Durchführung einer Strommessung über einen Spannungsabfall eines Transistors im Steuergerät und eine Verknüpfung mit einem Temperaturmodell. Diese Variante ist jedoch ungenauer und wird daher nicht bevorzugt.
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Die Berechnung des elektrischen Widerstands des Heizleiters wird folgendermaßen durchgeführt: Bei eingeschalteter Sitzheizung wird die Differenz einer Lastspannung Uist und der Sitzheizungslast Uoffset berechnet und zum Laststrom Iist in Beziehung gesetzt, wodurch sich der gesuchte Ist-Widerstand des Heizleiters ergibt; die Spannung Uoffset beschreibt dabei einen möglichen Masseversatz zwischen Steuergerätmasse und Sitzheizungsmasse. Rist = (Uist– Uoffset)/Iist
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Zum Messen der Spannung Uoffset wird die Sitzheizung für einen festgelegten Zeitraum im Millisekundenbereich ausgeschaltet. Da die Aufheizung des Sitzes eine hohe Zeitkonstante hat, erfolgt die Temperaturbestimmung im Sekundenbereich. Der elektrische Widerstand des Heizleiters kann auch durch die folgende Formel ausgedrückt werden: Rist = R0·(1 + Temperaturkoeffizient·(T0 – Tist_hl)) wobei R0 ein Referenzwiderstand ist, 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. Der Temperaturkoeffizient ist der Temperaturkoeffizient des Heizleiters, es handelt sich dabei um eine Werkstoffkonstante. T0 ist die indirekt gemessene Temperatur, die von der Klimaanlage oder einem anderen Gerät erfasst wurde.
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1 zeigt einerseits die berechnete Heizleitertemperatur Tist_hl, basierend auf dem gemessenen Strom Iist und der gemessenen Spannung Uist. Die berechnete Heizleitertemperatur ist als durchgezogene Linie gezeichnet. In 1 erkennt man, dass sich der Heizleiter stark und schnell erwärmt im Vergleich zum Verlauf der trägen, gemessenen Oberflächentemperatur des Sitzes.
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Da die berechnete Heizleitertemperatur Tist_hl wesentlich höher ist als die tatsächliche Oberflächentemperatur des Sitzes, wird nun die Oberflächentemperatur des Sitzes aus der berechneten Temperatur des Heizleiters Tist_hl berechnet. Dabei wird das zeitliche thermische Verhalten des Heizleiters unmittelbar nach dem Ausschalten der Sitzheizung ausgenutzt. In dem mit dem Pfeil gekennzeichneten Intervall erkennt man, dass die berechnete Heizleitertemperatur Tist_hl sehr schnell absinkt, gleichzeitig sinkt die Oberflächentemperatur des Sitzes nur minimal ab. Die Abkühlung des Heizleiters erfolgt mit zwei Zeitkonstanten, nach dem Abschalten erfolgt zunächst eine Entwärmung des Heizleiters mit einer Zeitkonstante 1 auf das Temperaturniveau seiner Umgebung, anschließend erfolgt eine Entwärmung des gesamten Sitzes mit einer langsameren Zeitkonstante. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Zeitkonstante 1, die die Entwärmung des Heizleiters beschreibt, bei 5 Sekunden. Die Zeitkonstante 2 beträgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ca. 150 Sekunden.
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Zur Berechnung der Oberflächentemperatur des Sitzes wird die Temperatur des Heizleiters zum Zeitpunkt des Abschaltens gespeichert, diese Temperatur wird Tist_hl_0 genannt. Anschließend wird eine zweite Temperatur nach dem Verstreichen eines festgelegten Zeitraums nach dem Abschalten des Heizleiters gemessen. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Zeitkonstante 1 5 Sekunden.
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Aus den beiden berechneten Temperaturen Tist_hl_0 und Tist_hl_1 wird anschließend mittels der Zeitkonstante die Oberflächentemperatur Tist_ob berechnet werden. Der Verlauf der Funktion Tist_ob entspricht einer Expotentialfunktion mit der Zeitkonstante 1. Am Anfang, nach dem Ausschalten des Heizleiters, wenn die verstrichene Zeit wesentlich kleiner als die Zeitkonstante 1 ist, fällt die Temperatur Tist_ob näherungsweise linear ab. Daher kann durch eine einfache lineare Näherungsfunktion die Oberflächentemperatur des Sitzes bestimmt werden: Tist_ob = Tist_hl_0 – ((Tist_hl_0 – Tist_hl_1) – 100/63).
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Dabei ist berücksichtigt, dass die Temperatur während des Verstreichens der Zeitkonstante 1 um 63% fällt.
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Die Berechnung der Heizleitertemperatur im ausgeschalteten Zustand erfolgt durch kurzes Einschalten für einige Millisekunden. Die Messung erfolgt periodisch im Sekundenbereich, so dass dies keine Auswirkung auf die tatsächliche Oberflächentemperatur des Sitzes hat. Diese Regelung erfolgt somit unbemerkt vom Nutzer.
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2 zeigt schematisch den Schaltungsaufbau der Sitzheizung.
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Die insgesamt mit 1 bezeichnete Sitzheizung umfasst ein Steuergerät 2, umfassend einen Transistor 3, der einerseits mit dem Pluspol (Klemme 30) einer Batterie verbunden ist. Über eine Leitung 4 kann einerseits die bei eingeschaltetem Heizleiter anliegende Spannung Iist beziehungsweise im ausgeschalteten Zustand die Spannung Uoffset gemessen werden. Ebenso kann der bei eingeschaltetem Heizleiter fließende Strom Iist erfasst werden. Über einen Kabelbaum 5 ist das Steuergerät mit einem Heizleiter 6 verbunden, der als Sitzheizungsmatte ausgebildet ist. Der Heizleiter 6 ist anderseits mit einem Masseanschluss 7 verbunden. Die Sitzheizung 1 besteht somit im Wesentlichen aus dem Steuergerät 2, einem Kabelbaum und der Sitzheizungsmatte, diese Einteilung wird in 2 durch die gestrichelten Linien angedeutet.
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Das als Regler wirkende Steuergerät 2 verwendet die Temperatur Tist_ob als Regelgröße für die Ist-Temperatur. Im eingeschwungenen Zustand des Reglers erfolgt ein ständiges Einschalten und Ausschalten des Heizleiters 6. Die Sitztemperatur Tist_ob wird lediglich nach dem Verstreichen des Zeitraums T1 nach dem Ausschalten berechnet.
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Falls Tist_ob größer als die Solltemperatur ist, wird in Abhängigkeit des Temperaturunterschieds Tist_ob – Solltemperatur das Verstreichen eines bestimmten Zeitraums bei ausgeschaltetem Heizleiter abgewartet. Anschließend wird der Heizleiter wieder eingeschaltet. Der abzuwartende Zeitraum ist abhängig von der Temperaturdifferenz, bei großer Temperaturdifferenz wird länger gewartet als bei kleiner Temperaturdifferenz.
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Im anderen Fall, wenn Tist_ob kleiner als die Solltemperatur ist, wird gegebenenfalls mit Berücksichtigung von Hysterese, abhängig von dem Temperaturunterschied Tist_ob – Solltemperatur die Sitzheizung für einen kurzen Zeitraum eingeschaltet, danach wird sie wieder abgeschaltet und die Temperatur wird gemessen. Die Einschaltdauer ist auch abhängig von der Temperaturdifferenz, bei großer Abweichung wird der Heizleiter länger eingeschaltet und es wird eine höhere Einschaltfrequenz eingestellt als bei einer kleinen Temperaturdifferenz.