DE20320474U1

DE20320474U1 - Elektrische Heizung für ein Fahrzeug

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Publication number: DE20320474U1
Application number: DE20320474U
Authority: DE
Original assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Current assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2013-04-09

Abstract

Elektrische Heizung (10) für ein Fahrzeug mit
– mehreren zueinander parallel geschalteten Gruppen von Heizelementen (12), wobei jede Gruppe mindestens ein Heizelement (12) umfasst,
– mehreren Schalterelementen (16) zum wahlweisen Ein- und Ausschalten der Heizelementgruppen,
– einer Ansteuereinheit zum Ansteuern der Schalterelemente (16) zum Ein- und Ausschalten derselben,
– einer Gesamtstrom-Ermittlungseinheit (26) zur Ermittlung der Summe der Ströme durch sämtliche jeweils eingeschaltete Heizelementgruppen und
– einer Überwachungseinheit (20) zur Überwachung der Heizelementgruppe auf Kurzschluss oder Leitungsbruch,
– wobei die Überwachungseinheit (20) die Differenz zwischen dem vor dem Umschalten einer Heizelementgruppe fließenden Gesamtstrom und dem nach dem Umschalten fließenden Gesamtstrom ermittelt und
– wobei die Überwachungseinheit (20) in der umgeschalteten Heizelementgruppe einen Kurzschluss erkennt, wenn die Stromdifferenz größer als ein vorgebbarer Kurzschlussschwellwert ist, und einen Leitungsbruch erkennt, wenn die Stromdifferenz kleiner als ein Bruchschwellwert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizung für ein Fahrzeug. Bei dieser Heizung handelt es sich insbesondere um eine Zusatzheizung bei Kraftfahrzeugen, die z.B. während der Phase zugeschaltet wird, in der das Kühlwasser des Motors noch nicht seine Betriebstemperatur angenommen hat.
Komfortable KFZ-Klimaanlagen sind mit elektrischen Zusatzheizungen ausgestattet, die eine Vielzahl von gruppenweise schaltbaren elektrischen Heizelementen aufweisen. Die Heizelemente sind dabei im Regelfall als PTC-Widerstandselemente ausgebildet. Je nach dem Wärmebedarf werden eine oder mehrere Gruppen von Heizelementen eingeschaltet. Dies erfolgt durch Schalterelemente, die zumeist in Form von Transistoren realisiert sind. Für den einwandfreien Betrieb einer derartigen elektrischen Zusatzheizung ist eine Überwachung auf Kurzschluss bzw. Leitungsbruch erforderlich. Dies kann beispielsweise anhand des durch die Heizelemente einer eingeschalteten Gruppe von Heizelementen fließenden Stroms erfolgen. Werden als Schalterelemente Transistoren mit separaten Stromausgängen verwendet, so kann durch Auslesen dieses Ausgang überprüft werden, ob kein Strom fließt (Leitungsbruch) oder ein viel zu hoher Strom fließt (Kurzschluss).
Um die von einer elektrischen Zusatzheizung abzugebende Heizleistung möglichst exakt auf den aktuellen Wärmebedarf einstellen zu können, ist es erforderlich, möglichst viele Gruppen von Heizelementen einzeln schalten zu können. Das wiederum jedoch bedeutet, dass die die Stromausgänge der Schalttransistoren abfragende Überwachungseinheit entsprechend aufwendig, nämlich mehrkanalig, ausgebildet sein muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Heizung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei der die Überwachung auf Kurzschluss und Leitungsbruch auch dann relativ einfach und zuverlässig erfolgt, wenn die Heizung eine Vielzahl von einzeln schaltbaren Heizelementen oder Gruppen von Heizelementen aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine elektrische Heizung für ein Fahrzeug geschaffen, die versehen ist mit

– mehreren zueinander parallel geschalteten Gruppen von Heizelementen, wobei jede Gruppe mindestens ein Heizelement umfasst,
– mehreren Schalterelementen zum wahlweisen Ein- und Ausschalten der Heizelementgruppen,
– einer Ansteuereinheit zum Ansteuern der Schalterelemente zum Ein- und Ausschalten derselben,
– einer Gesamtstrom-Ermittlungseinheit zur Ermittlung der Summe der Ströme durch sämtliche jeweils eingeschaltete Heizelementgruppen und
– einer Überwachungseinheit zur Überwachung der Heizelementgruppe auf Kurzschluss oder Leitungsbruch,
– wobei die Überwachungseinheit die Differenz zwischen dem vor dem Umschalten einer Heizelementgruppe fließenden Gesamtstrom und dem nach dem Umschalten fließenden Gesamtstrom ermittelt und
– wobei die Überwachungseinheit in der umgeschalteten Heizelementgruppe einen Kurzschluss erkennt, wenn die Stromdifferenz größer als ein vorgebbarer Kurzschlussschwellwert ist, und einen Leitungsbruch erkennt, wenn die Stromdifferenz kleiner als ein Bruchschwellwert ist.

Die erfindungsgemäße elektrische Heizung umfasst mehrere Gruppen von Heizelementen, die jeweils mindestens ein Heizelement aufweisen und getrennt voneinander durch von einer Ansteuereinheit angesteuerte Schalterelemente ein- und ausschaltbar sind. Die durch sämtliche eingeschalteten Heizelementgruppen fließenden Ströme werden als Gesamtstrom durch eine Gesamtstrom-Ermittlungsvorrichtung ermittelt. Eine Überwachungsein heit überwacht die Größe dieses Gesamtstroms unter Berücksichtigung der aktuell eingeschalteten Heizelementgruppen sowie bei Umschaltung (Ein- oder Ausschalten) einer Heizelementgruppe. Durch laufende Ermittlung (kontinuierlich oder in Zeitabständen) kann der Gesamtstrom erfasst werden. Entscheidend dabei ist, dass der Gesamtstrom vor und nach einem Umschalten einer Heizelementgruppe ermittelt wird. Die Umschaltung einer Heizelementgruppe erfolgt durch die Ansteuereinheit gesteuert und darüber hinaus von einer übergeordneten Temperaturregeleinheit ausgelöst. Mithin würde es also ausreichen, dann, wenn die Temperaturregeleinrichtung die Umschaltung einer Heizelementgruppe "ankündigt", zuvor, dass heißt vor der Umschaltung, den Gesamtstrom zu ermitteln, um ihn auch nach erfolgter Umschaltung dann nochmals zu ermitteln.
Auf sämtliche der zuvor beschriebenen Weisen ist es also möglich, die Stromdifferenz zu ermitteln, die beim Umschalten einer Heizelementgruppe entsteht. Ist die Stromdifferenz relativ klein, dass heißt kleiner als ein Leitungsbruchschwellwert, so wird auf Leitungsbruch in der umgeschalteten Heizelementgruppe erkannt. Sofern die Stromdifferenz sehr groß ist, dass heißt größer als ein Kurzschlussschwellwert, so kann ein Kurzschluss in der umgeschalteten Heizelementgruppe erkannt werden.
Das zuvor beschriebene Prozedere ist grundsätzlich sowohl beim Einschalten als auch beim Ausschalten einer Heizelementgruppe durchführbar. Je nach der Beschaffenheit der Heizelemente können die Stromdifferenzen beim Ein- und Ausschalten einer Heizelementgruppe unterschiedlich sein. Dies ist etwa dann der Fall, wenn als Heizelemente PTC-Widerstandselemente eingesetzt werden, deren Stromaufnahme im kalten Zustand größer ist als im erhitzten Zustand. Die Zuschaltung von PTC-Widerstandselementgruppen ruft, da die PTC-Widerstandselemente noch kalt sind, bei Ermittlung der Stromdifferenz beim Zuschalten demzufolge größere Stromdifferenzen hervor als beim Abschalten, bei dem die PTC-Widerstandselemente erhitzt sind, wodurch sich bei Er mittlung der Stromdifferenz beim Zuschalten eine zuverlässigere Detektion/Überwachung auf Funktionstüchtigkeit ergibt.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Schalterelemente Schalttransistoren mit Stromausgängen verwendet werden. Diese Stromausgänge liefern sogleich ein Signal für den Laststrom und damit für den Strom durch eine eingeschaltete Heizelementgruppe. Andere Möglichkeiten der Stromerfassung sind ebenfalls denkbar. So könnten beispielsweise die Ströme durch sämtliche Heizelementgruppen auch über einen gemeinsamen Shunt-Widerstand geleitet werden, an dem dann die Stromermittlung erfolgt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Überwachungseinheit auch dann, wenn keine der Heizelementgruppen umgeschaltet wird, zur Überwachung auf Kurzschluss den aktuellen Stromwert mit einem vorgebbaren Kurzschlussschwellwert vergleicht und auf Kurzschluss erkennt, wenn der Stromwert größer als der Kurschlussschwellwert ist.
Bei der vorstehenden Beschreibung der Erfindung wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass sich eine Stromdifferenz stets aus einer Laständerung ergibt. Grund für eine Stromdifferenz kann aber beispielsweise auch eine Veränderung der Versorgungsspannung der Heizelemente (Bordnetzschwankungen) sein. Bei der Ermittlung der Stromdifferenz ist dies entsprechend zu bewerten.
Gleichbedeutend mit der Erfindung ist es selbstverständlich, wenn anstelle der Stromdifferenz eine Spannungsdifferenz ermittelt wird, beispielsweise die Differenz der Spannungsabfälle über einem Widerstand vor und nach dem Umschalten einer Heizelementgruppe.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, in der ein Beispiel für eine elektrische Zusatzheizung mit Ansteuerungs- und Überwachungselektronik dargestellt ist, erläutert.
Die elektrische Heizung 10 umfasst mehrere einzeln ein- und ausschaltbare Heizelemente 12, die in diesem Ausführungsbeispiel als PTC-Widerstandselemente ausgebildet sind. Diese Heizelemente 12 sind parallel zueinander geschaltet. In jedem Zweig können auch mehr Heizelemente in Reihe geschaltet vorhanden sein.
Die Heizelemente 12 werden über eine Anordnung 14 aus einer Vielzahl von Schalterelementen 16 in Form von Schalttransistoren ein- und ausgeschaltet. Die Ansteuerung dieser Schalterelemente 16 erfolgt durch eine Ansteuereinheit 18, die beispielsweise als Mikroprozessor ausgebildet ist. Dieser Mikroprozessor weist auch einen als Überwachungseinheit 20 ausgebildeten Teil auf, dem Werte über den augenblicklichen Gesamtstrom (am Eingang 22) und der aktuellen Versorgungsspannung (am Eingang 24) zugeführt werden und eine Gesamtstrom-Ermittlungseinheit 26 umfasst.
Bei der Überwachung der Heizelemente 12 wird nun derart verfahren, dass die Überwachungseinheit 20 vor dem Umschalten (Ein- oder Ausschalten) eines Heizelements 12 den gegenwärtigen Gesamtstrom ermittelt. Nach dem Umschalten der Heizelementgruppe wird dieser Vorgang wiederholt, wodurch eine Stromdifferenz ermittelt wird. Liegt diese Stromdifferenz unterhalb eines unteren Schwellwerts, der beispielsweise nahe 0 Volt anzusetzen ist, so verändert sich also der Gesamtstrom trotz Umschaltens (Ein- oder Ausschaltens) eines Heizelements 12 nicht. Dies spricht dafür, dass in dem zugeschalteten Strang ein Leitungsbruch vorliegt.
Ist die Stromdifferenz hingegen relativ hoch, also größer als ein oberer Schwellwert, so kann auf einen Kurzschluss in dem ein- oder ausgeschalteten Heizstrang geschlossen werden.
Die zuvor beschriebenen Überwachungen für sämtliche Heizstränge können erfindungsgemäß durchgeführt werden, ohne das dazu eine mehrkanalige Überwachungseinheit erforderlich ist. Im Gegenteil reicht eine einkanalige Überwachungseinheit aus, ohne das dabei Einbußen bezüglich der Zuverlässigkeit der Überwachungstätigkeit in Kauf genommen werden müssen. Damit können mit dem erfindungsgemäßen Aufbau teure Mikroprozessoren und Multiplexer vermieden sowie auf Störmaßnahmen verzichtet werden. Dies alles vereinfacht den Aufbau der Ansteuerungs- und Überwachungselektronik der erfindungsgemäßen elektrischen Heizung.
Bei dieser elektrischen Heizung kann aber auch unabhängig vom Ein- bzw. Ausschalten einzelner Heizstränge stets auf Kurzschluss überwacht werden. Hierbei wird lediglich die Stromdifferenz bzw. der aktuelle Stromwert ermittelt. Liegt dieser oberhalb der oberen Schwelle, so kann davon ausgegangen werden, dass zumindest in einem der Heizstränge ein Kurzschluss vorliegt. Dieser Kurzschluss kann dann nach Ausschalten sämtlicher Heizstränge und aufeinander folgendem Einschalten der Heizstränge erkannt werden und zwar dann, wenn die Stromdifferenz zwischen den Stromwerten vor und nach dem Zuschalten eines Heizstrangs übermäßig groß ist. Der zuletzt zugeschaltete Heizstrang ist dann defekt. Man könnte einen defekten Heizstrang auch dadurch ermitteln, dass zunächst sämtliche Heizstränge eingeschaltet werden und nacheinander einzelne der Heizstränge wieder abgeschaltet werden. Auch bei dieser Vorgehensweise wird es dann einen Stromdifferenzwert geben, der übermäßig hoch ist. Der zuletzt abgeschaltete Heizstrang ist dann der defekte.

Claims

Elektrische Heizung (10) für ein Fahrzeug mit – mehreren zueinander parallel geschalteten Gruppen von Heizelementen (12), wobei jede Gruppe mindestens ein Heizelement (12) umfasst, – mehreren Schalterelementen (16) zum wahlweisen Ein- und Ausschalten der Heizelementgruppen, – einer Ansteuereinheit zum Ansteuern der Schalterelemente (16) zum Ein- und Ausschalten derselben, – einer Gesamtstrom-Ermittlungseinheit (26) zur Ermittlung der Summe der Ströme durch sämtliche jeweils eingeschaltete Heizelementgruppen und – einer Überwachungseinheit (20) zur Überwachung der Heizelementgruppe auf Kurzschluss oder Leitungsbruch, – wobei die Überwachungseinheit (20) die Differenz zwischen dem vor dem Umschalten einer Heizelementgruppe fließenden Gesamtstrom und dem nach dem Umschalten fließenden Gesamtstrom ermittelt und – wobei die Überwachungseinheit (20) in der umgeschalteten Heizelementgruppe einen Kurzschluss erkennt, wenn die Stromdifferenz größer als ein vorgebbarer Kurzschlussschwellwert ist, und einen Leitungsbruch erkennt, wenn die Stromdifferenz kleiner als ein Bruchschwellwert ist.
Elektrische Heizung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalterelemente (16) als Schalttransistoren mit Stromausgängen ausgebildet sind.
Elektrische Heizung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (12) als PTC-Elemente ausgebildet sind.
Elektrische Heizung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (18) die Überwachung einer Heizelementgruppe (12) auf Kurzschluss oder Leitungsbruch stets beim Einschalten einer Heizelementgruppe (12) durchführt.
Elektrische Heizung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (20) auch dann, wenn keine Heizelementgruppe umgeschaltet wird, zur Überwachung auf Kurzschluss den Stromwert mit einem vorgebbaren Kurzschlussschwellwert vergleicht und auf Kurzschluss erkennt, wenn der Stromwert größer als der Kurzschlussschwellwert ist.