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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung
einer elektrischen Heizeinrichtung mit wenigstens einem PTC-Element.
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Stand der Technik
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Für
den Betrieb von Kraftfahrzeugen sind verschiedene flüssige
Betriebsmittel, beispielsweise Kraftstoff, erforderlich, die in
dem Kraftfahrzeug vorgehalten werden müssen. Insbesondere
bei Dieselfahrzeugen kann zur Schadstoffemissionssenkung das sogenannte
SCR-Verfahren (Selective Catalytic Reduction) angewendet werden,
das als weiteres Betriebsmittel eine wässrige Harnstofflösung
(HWL) erfordert. Die Harnstofflösung wird als Reduktionsmittel
benötigt, das bedarfsorientiert in den Abgasstrang eingesprüht
wird und in Verbindung mit einem SCR-Katalysator die Reaktion von
Stickoxiden im Abgas zu unbedenklichem Wasser und Stickstoff ermöglicht.
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Die
wässrige Harnstofflösung wird in einem sogenannten
HWL-Tank vorgehalten bzw. gespeichert. Allerdings liegt der Gefrierpunkt
einer üblichen 32,5%-igen Harnstofflösung im Allgemeinen
bei –11°C, so dass es bei entsprechender Witterung
zu einem Gefrieren der Harnstofflösung kommt. Daher ist
es erforderlich, im HWL-Tank einen Tankheizer vorzusehen.
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Ein üblicher
Tankheizer setzt sich aus elektrischen Heizelementen zusammen, so
dass elektrischer Strom in Wärme umgesetzt werden kann.
Hierfür können beispielsweise zwei ohmsche Heizelemente
vorgesehen sein, die in Reihe geschaltet sind. Diese Elemente können
mit Kaltleiter-Elementen, sogenannten PTC-Elementen, kombiniert
werden. Kaltleiter umfassen stromleitende Materialien, die bei tieferen
Temperaturen den Strom besser leiten als bei hohen Temperaturen.
Der elektrische Widerstand ver größert sich bei
steigender Temperatur, so dass bei steigender Temperatur die erzeugte
Wärmeleistung sinkt und eine „Selbstregelung” des
Heizelements erfolgt. Ein geeigneter HWL-Tankheizer kann beispielsweise
aus zwei parallel geschalteten PTC-Elementen aufgebaut sein, die
zwischen zwei in Reihe geschalteten ohmschen Heizelementen angeordnet
sind.
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Eine
normgerechte Abgasnachbehandlung setzt eine flüssige Harnstofflösung
voraus, so dass die Funktion des im HWL-Tank verbauten Tankheizers
gewährleistet werden muss. Herkömmlicherweise
erfolgt eine elektrische Diagnose bzw. Funktionsüberprüfung
einer derartigen elektrischen Heizeinrichtung, indem die Heizeinrichtung über
einen an sich bekannten Leistungsschalter angesteuert wird, der
die Heizeinrichtung mit einem bestimmten Laststrom beaufschlagt.
Der Leistungsschalter meldet einem Steuergerät einen Stromspiegel
(Sens-Strom) des Laststromes zurück. Anhand des Sens-Stroms kann
die Funktionsfähigkeit der Heizeinrichtung überprüft
werden. Diese elektrische Diagnose von Heizeinrichtungen ist jedoch
verhältnismäßig ungenau und kann zu Fehldiagnosen
führen. Insbesondere kann beispielsweise bei einem abfallenden Sens-Strom
nicht auf die Art der Störung, beispielsweise auf einen
Leitungsbruch eines PTC-Elements, eindeutig geschlossen werden.
Die Gründe hierfür liegen u. a. in der parallelen
Verschaltung bzw. dem Schaltungsverbund der PTC-Elemente. Daneben weisen
die einzelnen PTC-Elemente hohe Toleranzen im Bereich von cirka
30% auf. Auch der Sens-Strom, der vom Leistungsschalter gemeldet wird,
weist insbesondere bei kleinen Stromspiegeln hohe Toleranzen und
Ungenauigkeiten auf. Hinzu kommen die unterschiedlichen Umgebungsbedingungen
der im Tank vorhandenen Flüssigkeit, beispielsweise unterschiedliche
Flüssigkeitsstände und Drücke sowie das
dynamische Verhalten der PTC-Elemente bei verschiedenen Tanktemperaturen.
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Zur
Diagnose bzw. zur Funktionsüberprüfung eines elektrischen
Heizelements in einem Kraftstofftank schlägt die deutsche
Offenlegungsschrift
DE
102 34 561 A1 vor, die charakteristische Stromverlaufskurve
eines PTC-Elements zu nutzen, um durch Erfassen der Stärke
des durch das PTC-Heizelement fließenden Heizstromes während
einer bestimmten Zeitspanne im Vergleich mit einem vorgegebenen
Schwellenwert einen Defekt signalisieren zu können. Allerdings
liefert dieses Verfahren keine befriedigende Lösung, wenn
mehr als ein Heizelement, also insbesondere ein Heizelementverbund überprüft
werden soll, da insbesondere bei parallel geschalteten PTC-Heizelementen
keine eindeutige Aussage über Art und Lokalisation der
Störung getroffen werden kann. Zudem unterliegt der Stromfluss in
der Heizeinrichtung nicht unerheblichen Schwankungen, sodass es
bei diesem Verfahren leicht zu falschen Aussagen kommen kann.
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Die
Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur zuverlässigen
Funktionsüberprüfung einer elektrischen Heizeinrichtung
bereitzustellen, um sicherstellen zu können, dass beispielsweise bei
einem HWL-Tank die erforderliche Heizleistung erbracht werden kann.
Insbesondere soll mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
diagnostiziert werden können, ob bei parallel geschalteten
PTC-Elementen einzelne oder mehrere Heizelemente in ihrer Leistung
gestört und beispielsweise abgefallen oder kurzgeschlossen
sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung
einer elektrischen Heizeinrichtung mit wenigstens einem PTC-Element
gelöst, wie es im Anspruch 1 beschrieben ist. Bevorzugte
Ausgestaltungen dieses Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren dient zur Funktionsüberprüfung
einer elektrischen Heizeinrichtung, die wenigstens ein PTC-Element
umfasst. Die elektrische Heizeinrichtung wird bei einer Batteriespannung
betrieben. Bei dem Verfahren wird die Heizeinrichtung mit einem
Strom bzw. einem Laststrom beaufschlagt. Zur Funktionsüberprüfung
wird wenigstens ein Messwert, der den durch die Heizeinrichtung
fließenden Strom repräsentiert, erfasst. Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass der wenigstens eine Messwert für den Strom
unter Berücksichtigung der Batteriespannung mit wenigstens
einem Referenzwert verglichen und aus einem Abweichen von Messwert
und Referenzwert gegebenenfalls auf einen Fehler geschlossen wird.
Für den Vergleich von Messwert und Referenzwert ist eine
vorgebbare Toleranzbreite oder ein Toleranzband vorgesehen, um bei
geringfügigen Varianzen keine Fehldiagnosen zu verursachen.
Durch Berücksichtigung der Batteriespannung erfolgt die
Funktionsüberprüfung anhand der Leistungskurve
der Heizeinrichtung.
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Der
Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, dass
die charakteristischen Stromverlaufskurven von PTC-Elementen als
Grundlage für die Diagnose von einer Heizeinrichtung und
von einzelnen Heizelementen dienen können. In charakteristischer
Weise steigt bei einer Heizeinrichtung mit PTC-Element nach dem
Einschalten der Stromfluss kontinuierlich an. Zugleich steigt die
Temperatur durch die Heizwirkung der Heizeinrichtung. Dies bewirkt
im PTC-Element durch die Eigenerwärmung im Kristallinneren
des Elements eine Vergrößerung des elektrischen
Widerstandes, so dass nach Erreichen einer maximalen Stromspitze
der Strom wieder abgeregelt wird. Diese charakteristische Stromverlaufskurve
der PTC-Elemente wird erfindungsgemäß genutzt,
die Funktion der Heizeinrichtung und der PTC-Elemente zu überprüfen.
Hierfür werden aktuell erfasste Messwerte, die den durch
die Heizeinrichtung fließenden Gesamtstrom bzw. den Stromspiegel repräsentieren,
erfasst und mit Referenzwerten verglichen. Da die an die Heizeinrichtung
angelegte Spannung einen erheblichen Einfluss auf den Gesamtstrom
und die maximal mögliche Heizleistung ausübt,
ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Spannung,
die beispielsweise bei Kraftfahrzeugen als Batteriespannung bereitgestellt
wird, bei dem Vergleich der Messwerte mit den Referenzwerten zu berücksichtigen.
Vorzugsweise werden hierfür ein oder mehrere Messwerte
erfasst, die den Gesamtstrom repräsentieren, beispielsweise
wird der Sens-Strom selbst, die Spannung oder der Widerstand gemessen.
Zugleich wird die aktuelle Batteriespannung erfasst. Abhängig
vom Wert der aktuellen Batteriespannung wird ein geeigneter Referenzwert herangezogen,
der mit dem Messwert für den Gesamtstrom verglichen wird.
Bei einer Abweichung von Messwert und Referenzwert wird auf einen
Fehler geschlossen und vorzugsweise ein entsprechendes Fehlersignal
ausgegeben. Hierdurch ist es möglich, die von der Batteriespannung
abhängige maximal mögliche Heizleistung zu berücksichtigen.
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Die
Batteriespannung im System kann abhängig von verschiedenen
Faktoren sehr stark variieren und schwanken. Beispielsweise kann
bei einer Aktivierung anderer Komponenten bzw. Verbraucher des Systems,
beispielsweise des Fahrzeugs, der durch die Heizeinrichtung fließende
Strom erheblich gemindert sein. Auch der Winterbetrieb oder eine
defekte Lichtmaschine kann eine verminderte Batteriespannung verursachen.
Andererseits kann auch die Batteriespannung als solche schwanken,
beispielsweise bei mangelhafter Aufladung der Batterie. Auch dies
beeinflusst den durch die Heizeinrichtung fließenden Strom.
Erfindungsgemäß wird daher die aktuelle Batteriespannung
erfasst und berücksichtigt, um zuverlässige Aussagen
zur Funktionstüch tigkeit der elektrischen Heizeinrichtung
und insbesondere zu den PTC-Elementen machen zu können.
Insbesondere werden in Abhängigkeit von der aktuellen Batteriespannung
entsprechende Referenzwerte für das erfindungsgemäße
Verfahren herangezogen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist es vorgesehen, dass für den Vergleich von
Messwert und Referenzwert die maximale Stromspitze des Gesamtstroms herangezogen
wird. Die Verwendung der maximalen Stromspitze als Messwert ist
besonders geeignet, da dieser Wert besonders einfach und fehlerfrei
zu ermitteln ist. Hierfür kann beispielsweise nach dem
Einschaltzeitpunkt der Heizeinrichtung bzw. nach der Beaufschlagung
der Heizeinrichtung mit einem Laststrom ein Sens-Strom, der den
durch die Heizeinrichtung fließenden Gesamtstrom repräsentiert,
kontinuierlich ausgelesen werden. Der gelesene Wert wird immer mit
dem nächsten gelesenen Wert verglichen. Wenn der aktuelle
Wert größer als der Vorgängerwert ist,
wird der alte Wert überschrieben. Dieses Vorgehen wird
solange wiederholt, bis die maximale Stromspitze erreicht ist. Die
Stromspitze ist dann erreicht, wenn der Vorgängerwert größer
als der aktuell gemessene Wert ist. Hierdurch lässt sich
die maximale Stromspitze detektieren und erfindungsgemäß zum Vergleich
mit einem Referenzwert heranziehen.
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Der
Referenzwert spiegelt mit einer gewissen Toleranzbreite den durch
die Heizeinrichtung fließenden Strom bei einer funktionsfähigen
Heizeinrichtung wider. Der Referenzwert kann sich beispielsweise
auf die maximale Stromspitze des Gesamtstroms beziehen. In anderen
Ausführungsformen können als Referenzwerte Stromverläufe über
die Zeit mit geeigneten Toleranzbändern hinterlegt sein,
die den charakteristischen Stromverlauf von funktionsfähigen Heizeinrichtungen
bzw. von funktionsfähigen PTC-Elementen widerspiegeln.
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Mit
besonderem Vorteil handelt es sich bei der Heizeinrichtung um eine
Heizeinrichtung für einen Tank, beispielsweise für
einen Tank zur Vorhaltung von Reduktionsmitteln, insbesondere von
wässriger Harnstofflösung (HWL). Vor allem bei
Dieselfahrzeugen ist eine Verminderung von Stickoxiden durch eine
selektive katalytische Reduktion in einem sogenannten SCR-Katalysator
im Abgasstrang möglich. Als Reduktionsmittel ist hierfür
in der Regel eine wässrige Harnstofflösung (HWL)
vorgesehen, die in einem sogenannten HWL-Tank bevorratet und mitgeführt
wird. Da übliche Harnstoffwasserlö sungen bei cirka –11°C
gefrieren, muss ein solcher Tank mit einer Heizeinrichtung ausgestattet
sein. Derartige Heizeinrichtungen weisen in der Regel PTC-Elemente, insbesondere
einen PTC-Schaltungsverbund auf. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist mit besonderem Vorteil für die Diagnose bzw.
Funktionsüberprüfung derartiger elektrischer Heizeinrichtungen
geeignet, da mit diesem Verfahren parallel verschaltete PTC-Elemente
diagnostiziert werden können. Das erfindungsgemäße
Verfahren berücksichtigt die Bordspannung bzw. die aktuelle
Batteriespannung, die zum Betreiben der elektrischen Heizeinrichtung angelegt
wird. Da die Batteriespannung den durch das Heizelement fließenden
Gesamtstrom und die Heizleistung erheblich beeinflusst, kann mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren die Zuverlässigkeit
der Funktionsüberprüfung und damit die Sicherheit
für die Abgasnachbehandlung erheblich verbessert werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden bei verschiedenen Tanktemperaturen unterschiedliche Referenzwerte
herangezogen. PTC-Elemente zeigen unterschiedliches dynamisches
Verhalten bei verschiedenen Temperaturen. Daher ist es bei dieser Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich,
hierauf beruhende Fehldiagnosen zu vermeiden. Vorzugsweise wird
für verschiedene mögliche Temperaturen im Tank
ein bestimmter Referenzwert für die maximale Stromspitze
hinterlegt. Beispielsweise können für alle denkbaren
Tanktemperaturen entsprechende Werte z. B. in Form eines Kennfelds
hinterlegt sein. In anderen Ausgestaltungen können einzelne
diskrete Referenzwerte für bestimmte Temperaturen hinterlegt
sein, die für vorgebbare Temperaturbereiche herangezogen
werden, in die die aktuell gemessene Temperatur des Tanks fällt.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in dieser Ausführungsform die aktuelle Tanktemperatur
erfasst, beispielsweise durch Messung mit einem geeigneten Temperatursensor, der
im oder am Tank angeordnet ist, oder durch Heranziehung anderer
Parameter, wie beispielsweise der Außentemperatur oder
der Jahreszeit. Anschließend wird ein entsprechender Referenzwert
herangezogen und mit dem Messwert verglichen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die erfassten Messwerte, die innerhalb der Toleranzbreite bzw.
der Toleranzbänder des oder der Referenzwerte liegen und
die damit eine Diagnose „fehlerfrei” implizieren,
zur Aktualisierung der Referenzwerte verwendet. Hierdurch wird vermieden,
dass beispielsweise alterungsbedingte leichte Verschleißerscheinungen innerhalb
der Heizeinrichtung, die zu einer leicht geminderten Leistung führen,
aber dennoch eine volle Funktionsfähigkeit garantieren,
nicht zur wiederholten Diagnose „Fehler” führen.
Insofern ist das erfindungsgemäße Verfahren an
regelmäßig auftretende Alterungsprozesse der Heizeinrichtung
anpassbar, sofern hierdurch die Funktionstüchtigkeit der
Heizeinrichtung nicht eingeschränkt wird.
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Die
Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das alle Schritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt,
wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät
abläuft. Schließlich umfasst die Erfindung ein
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren
Träger gespeichert ist, zur Durchführung des beschriebenen
Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder
einem Steuergerät ausgeführt wird.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit
der Beschreibung der Zeichnungen. Hierbei können die verschiedenen
Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander
verwirklicht sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Heizerverschaltung einer herkömmlichen elektrischen Heizeinrichtung;
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2 der
zeitliche Verlauf des Sens-Stromes bei funktionstüchtiger
Heizeinrichtung und
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3 zeitliche
Verläufe des Sens-Stromes bei funktionsuntüchtigen
Heizeinrichtungen.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
der 1 ist eine Schaltungsanordnung einer üblichen
elektrischen Heizeinrichtung 10 aus dem Stand der Technik
dargestellt. Diese Heizeinrichtung umfasst zwei ohmsche Heizelemente 11 und 12,
die in Reihe geschaltet sind, sowie zwei PTC- Elemente 13 und 14,
die zwischen den ohmschen Heizelementen 11 und 12 parallel
geschaltet sind. Über einen Leistungsschalter (BTS) 15,
der über eine Batterie 16 gespeist wird, wird
die Heizeinrichtung 10 mit einem Laststrom beaufschlagt.
Der Leistungsschalter 15 meldet einem Steuergerät
(nicht dargestellt) einen Stromspiegel des Laststroms zurück.
Dieser Stromsspiegel bzw. Sens-Strom kann bei einem Laststrom von
beispielsweise 10 Ampere 1 mAmpere betragen. Durch die charakteristischen
Eigenschaften der PTC-Elemente 13 und 14 als Kaltleiter
findet eine Selbstregelung der Heizeinrichtung 10 statt,
indem bei steigender Temperatur der Widerstand der PTC-Elemente 13, 14 zunimmt,
so dass nach Erreichen einer maximalen Stromspitze der Stromfluss wieder
sinkt.
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Die
Leistung der Heizeinrichtung 10 hängt neben dem
Stromfluss von der angelegten Spannung ab. Die angelegte Spannung
wird maßgeblich von der tatsächlichen Spannung
der Batterie 16 bestimmt. Erfindungsgemäß ist
es daher vorgesehen, die tatsächliche Batteriespannung
bei einer elektrischen Funktionsüberprüfung der
Heizeinrichtung 10 zu berücksichtigen.
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Erfindungemäß erfolgt
die Funktionsüberprüfung der elektrischen Heizeinrichtung,
indem während der Beaufschlagung der Heizeinrichtung 10 mit
einem Laststrom der Sens-Strom erfasst wird. Der Sens-Strom bzw.
die erfassten Messwerte werden unter Berücksichtigung der
Batteriespannung mit Referenzwerten verglichen, die zu erwartende Stromwerte
für eine bestimmte Batteriespannung bei einer funktionstüchtigen
Heizeinrichtung widerspiegeln. Hierbei wird der charakteristische
Stromverlauf von PTC-Elementen zur Diagnose genutzt.
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Beispielhaft
ist hier ein Schaltungsverbund von zwei parallel geschalteten PTC-Elementen
gezeigt. Gleichfalls ist es möglich, das erfindungsgemäße
Verfahren bei einer Heizeinrichtung mit nur einem PTC-Element oder
mit mehreren, insbesondere mehreren parallel verschalteten PTC-Elementen
einzusetzen.
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2 zeigt
einen typischen Sens-Stromverlauf 22 über die
Zeit, der bei einer funktionstüchtigen Heizeinrichtung
zu erwarten ist. Nach der Ansteuerung der Heizeinrichtung bzw. der
Beaufschlagung der Heizeinrichtung mit Laststrom zum Zeitpunkt 21 wird
ein Sens-Strom rückgelesen. An aufeinanderfolgenden Zeitpunkten 23 werden
Messwerte des Sens-Stroms erfasst. Hierbei wird vorzugsweise der aktuell
aufge nommene Wert mit dem vorherigen Wert verglichen. Dieses Vorgehen
wird wiederholt, solange der aktuelle Messwert größer
als der vorhergehende Messwert ist. Auf diese Weise kann die maximale
Stromspitze 24 erfasst werden. Der oder die Referenzwerte
sind durch ein oberes Toleranzband 25 und ein unteres Toleranzband 26 dargestellt.
Liegen die Messwerte 22 an den Zeitpunkten 23 und/oder
die maximale Stromspitze 24 innerhalb der Toleranzbänder 25 und 26,
kann davon ausgegangen werden, dass die PTC-Elemente und die Heizeinrichtung
als solche funktionstüchtig sind.
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Aus 3 gehen
Sens-Stromverläufe über die Zeit hervor, die den
Rückschluss auf eine nicht funktionstüchtige Heizeinrichtung
erlauben. Der Zeitpunkt 21 beschreibt wiederum die Beaufschlagung der
Heizeinrichtung mit Laststrom. Die oberen und unteren Toleranzbänder 25 und 26 bezeichnen
den Bereich der Referenzwerte. Zu den Zeitpunkten 23 wird
der Sens-Strom erfasst. Die hierbei detektierten alternativen Stromverläufe 31, 32 und 33 bzw.
die jeweiligen maximalen Stromspitzen, die zum Teil nicht detektierbar
sind, liegen außerhalb der Toleranzbänder 25 und 26,
so dass auf eine nicht funktionstüchtige Heizeinrichtung
geschlossen werden kann. Insbesondere spiegelt der Stromverlauf 31 wider,
dass die Leitung abgefallen ist. Der Stromverlauf 32 spiegelt wider,
dass ein PTC-Element abgefallen ist. Der Stromverlauf 33 spiegelt
wider, dass ein oder beide PTC-Elemente kurzgeschlossen sind. Dieser
Stromverlauf 33 kann auch darauf hindeuten, dass die Spiegelung
des Sens-Stroms kurzgeschlossen ist.
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Bei
derartigen Verläufen des Sens-Stroms ganz oder teilweise
außerhalb der Toleranzbänder 25 und 26 oder
bei einzelnen Messwerten des Sens-Stroms, beispielsweise einem Messwert
für die maximale Stromspitze, die vom Referenzwert mit entsprechender
Toleranzbreite abweichen, wird die Heizeinrichtung als fehlerhaft
diagnostiziert und eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben.
Ein besonderer Vorteil hierbei ist, dass durch den jeweiligen Verlauf
des abweichenden Stromverlaufs auf die Art der Störung
geschlossen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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