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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heizen einer Oberfläche eines Fahrzeugs.
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Fahrzeuge (insbesondere Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen) umfassen typischerweise Heizvorrichtungen zum Heizen des Innenraums der Fahrzeuge. Dabei werden meist Konvektionsheizungen verwendet, bei der warme Luft anhand von ein oder mehreren Gebläsen in den Innenraum eines Fahrzeugs geblasen wird.
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Konvektionsheizungen sind nachteilig, da sie lokal zu relativ hohen Raumlufttemperaturen und zu einer relativ hohen Luftumwälzung führen können. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, ein oder mehrere Strahlungsheizungen an ein oder mehreren Oberflächen des Innenraums des Fahrzeugs zu verwenden, um den Innenraum des Fahrzeugs, oder zumindest ausgewählte Bereiche des Innenraums des Fahrzeugs, zu erwärmen.
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Durch die Verwendung von Strahlungsheizungen oder Oberflächenheizungen wird zusätzlicher Bauraum im Fahrzeug verbraucht. Desweiteren werden durch derartige Strahlungsheizungen oder Oberflächenheizungen zusätzliche Kosten verursacht.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine Kosten-effiziente und Bauraum-effiziente Strahlungsheizung zur Erwärmung von zumindest einem Teilbereich eines Innenraums eines Fahrzeugs bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Beheizen einer Oberfläche eines Fahrzeugs beschrieben. Die Oberfläche kann sich in einem Innenraum des Fahrzeugs befinden. Insbesondere kann die Vorrichtung eingerichtet sein, eine Ablagefläche des Fahrzeugs zu beheizen. Mit anderen Worten, die Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass eine Oberfläche des Fahrzeugs beheizt werden kann, und dass ein elektronisches Gerät in unmittelbarer Nähe der beheizten Oberfläche abgelegt werden kann, um eine drahtlose (insbesondere induktive) Energieübertragung von der Vorrichtung auf das elektronische Gerät zu ermöglichen und/oder um eine drahtlose Datenübertragung zwischen dem elektronischen Gerät und der Vorrichtung zu ermöglichen.
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Die Vorrichtung umfasst einen elektrischen Heizkörper, der eingerichtet ist, elektrischen Strom zu führen. Insbesondere kann der elektrische Heizkörper eingerichtet sein, gleichzeitig Ströme in unterschiedlichen Frequenzbereichen (von einem Gleichstrom (zum Heizen des elektrischen Heizkörpers) bis zu einem Wechselstrom im MHz und/oder GHz Bereich (zur Übertragung von Daten)) zu führen.
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Die Vorrichtung umfasst desweiteren eine Heizeinheit, die eingerichtet ist, einen Heizstrom für den elektrischen Heizkörper bereitzustellen. Der Heizstrom kann einen Gleichstrom umfassen oder der Heizstrom kann ein Gleichstrom sein. Die Heizeinheit kann einen Tiefpassfilter umfassen, der eingerichtet ist, einen Frequenzbereich des Heizstroms zu begrenzen. Insbesondere kann der Tiefpassfilter eine obere Grenzfrequenz fTP aufweisen, und somit den Frequenzbereich des Heizstroms begrenzen. Der Heizstrom kann ggf. direkt aus einem Gleichstrom eines elektrischen Bordnetzes des Fahrzeugs bezogen werden. Der Tiefpassfilter kann sicherstellen, dass keine Wechselströme aus der Vorrichtung in das elektrische Bordnetz eingespeist werden.
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Der elektrische Heizkörper ist eingerichtet, in Abhängigkeit von dem Heizstrom die Oberfläche des Fahrzeugs zu erwärmen. Mit anderen Worten, der elektrische Heizkörper kann eingerichtet sein, den Heizstrom zumindest teilweise in Wärmeenergie zu wandeln, wobei durch die Wärmeenergie die Oberfläche des Fahrzeugs erwärmt wird.
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Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Energieeinheit, die eingerichtet ist, einen AC-Ladestrom für den elektrischen Heizkörper bereitzustellen. Zu diesem Zweck kann die Energieeinheit einen Wechselstrom- oder Wechselspannungsgenerator umfassen, der eingerichtet ist, den AC-Ladestrom aus einem Gleichstrom des Energienetzes oder Bordnetzes des Fahrzeugs zu generieren. Die Energieeinheit kann eingerichtet sein, einen AC-Ladestrom mit einer Ladefrequenz f1 zu generieren. Die Ladefrequenz f1 kann in einem Frequenzbereich von 300 kHz oder weniger liegt (z. B. in einem Frequenzbereich von 110 kHz bis 205 kHz). Beispielsweise kann die Energieeinheit eingerichtet sein, den AC-Ladestrom konform zu dem Qi-Standard des Wireless Power Consortiums oder konform zu einem anderen drahtlosen Energieübertragungs-Standard zu generieren.
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Der elektrische Heizkörper ist eingerichtet, aus dem AC-Ladestrom ein magnetisches Ladefeld zu erzeugen. Das magnetische Ladefeld kann dazu verwendet werden, elektrische Energie an ein elektronisches Gerät zu übertragen, dass sich in unmittelbarer Nähe zu dem elektrischen Heizkörper befindet. Zur Erzeugung des magnetischen Ladefelds kann die Energieeinheit ein oder mehrere Komponenten (z. B. einen Kondensator) umfassen, die mit dem elektrischen Heizkörper einen Resonanzkreis oder Schwingkreis bilden. Die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises kann bei der Ladefrequenz f1 des AC-Ladestroms liegen. So kann ein Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung von der Vorrichtung auf ein elektronisches Gerät erhöht werden. Das magnetische Ladefeld kann in einer Spule des elektronischen Geräts einen AC-Strom induzieren, der zum Laden einer aufladbaren Batterie des elektronischen Geräts verwendet werden kann.
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Die Energieeinheit kann einen Bandpassfilter umfassen, der eingerichtet ist, einen Frequenzbereich des AC-Ladestroms zu begrenzen. Der Bandpassfilter kann eine untere Grenzfrequenz fBP1 und eine obere Grenzfrequenz fBP2 aufweisen und somit den Frequenzbereich des AC-Ladestroms auf Frequenzen zwischen fBP1 und fBP2 begrenzen. Durch die Verwendung eines Bandpassfilters kann verhindert werden, dass der Heizstrom zu einem Ausgang des Wechselspannungsgenerators der Energieeinheit rückgekoppelt wird.
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Die Vorrichtung umfasst weiter eine Dateneinheit, die eingerichtet ist, ein elektrisches Übertragungssignal bereitzustellen. Zu diesem Zweck kann die Dateneinheit eine Kommunikationseinheit umfassen, die eingerichtet ist, ein elektrisches Trägersignal mit zu übertragenden Daten zu modulieren, um das elektrische Übertragungssignal zu generieren. Das Trägersignal kann eine Trägerfrequenz ft aufweisen, wobei die Trägerfrequenz ft z. B. in einem Frequenzbereich von 800 MHz oder höher liegt. Beispielsweise kann die Kommunikationseinheit ein elektrisches Übertragungssignal erzeugen, das konform zu einem vordefinierten Datenübertragungsstandard ist (z. B. Bluetooth oder Wireless LAN).
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Der elektrische Heizkörper ist eingerichtet, aus dem elektrischen Übertragungssignal ein elektromagnetisches Funksignal zu erzeugen. Desweiteren kann der elektrische Heizkörper eingerichtet sein, ein eingehendes Funksignal in ein elektrisches Empfangssignal zu wandeln. Die Dateneinheit kann dann eingerichtet sein, Daten aus dem elektrischen Empfangssignal zu ermitteln. Somit kann die Vorrichtung ggf. für eine bi-direktionale Datenübertragung eingerichtet sein.
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Die Dateneinheit kann einen Hochpassfilter umfassen, der eingerichtet ist, den Frequenzbereich des elektrischen Übertragungssignals und/oder des Empfangssignals zu begrenzen. Der Hochpassfilter kann dabei eine untere Grenzfrequenz fHP aufweisen. Durch Verwendung eines Hochpassfilters kann beispielsweise eine Beeinträchtigung der Kommunikationseinheit durch den Heizstrom und/oder durch den AC-Ladestrom vermieden werden.
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Die Abschirmung des Heizstroms, des AC-Ladestroms und/oder des elektrischen Übertragungssignals von der Heizeinheit, der Energieeinheit und/oder der Dateneinheit kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass fTP < fBP1 und/oder dass fBP2 < fHP.
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Die Vorrichtung ermöglicht es somit, einen einzigen gemeinsamen elektrischen Heizkörper für das Heizen einer Oberfläche des Fahrzeugs, für die drahtlose Übertragung von elektrischer Energie auf ein elektronisches Gerät und für die drahtlose Übertragung von Daten an ein elektronisches Gerät (ggf. an das gleiche elektronische Gerät an das auch die elektrische Energie übertragen wird) zu verwenden. Dadurch können die Kosten, der Bauraum und das Gewicht des Fahrzeugs reduziert werden.
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Der elektrische Heizkörper kann insbesondere eingerichtet sein, zeitgleich den Heizstrom, den AC-Ladestrom und das elektrische Übertragungssignal zu führen. Insbesondere können ein oder mehrere Komponenten (ggf. alle Komponenten) des elektrischen Heizkörpers (z. B. ein Heizdraht des Heizkörpers) eine Überlagerung des Heizstroms, des AC-Ladestroms und des elektrischen Übertragungssignals führen. Desweiteren kann der elektrische Heizkörper eingerichtet sein, zeitgleich den Heizstrom zumindest teilweise in Wärmeenergie zu wandeln, aus dem AC-Ladestrom ein magnetisches Ladefeld zu erzeugen, und aus dem elektrischen Übertragungssignal ein elektromagnetisches Funksignal zu erzeugen.
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Der elektrische Heizkörper kann einen Heizdraht und/oder ein Heizfolie umfassen. Der Heizstrom durch den Heizdraht und/oder die Heizfolie kann zumindest teilweise in Wärmeenergie gewandelt werden. Desweiteren kann der elektrische Heizkörper ein oder mehrere Windungen umfassen, die eingerichtet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen. Die ein oder mehreren Windungen können eine Spule bilden. Die ein oder mehreren Windungen können z. B. durch einen Heizdraht des elektrischen Heizkörpers gebildet werden. Außerdem kann der elektrische Heizkörper eine Antenne zur Erzeugung des elektromagnetischen Funksignals umfassen. Die Antenne kann insbesondere durch einen Heizdraht des elektrischen Heizkörpers gebildet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (z. B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst. Die Vorrichtung kann derart im Fahrzeug angeordnet sein, dass sich in unmittelbarer Nähe des elektrischen Heizkörpers der Vorrichtung eine Ablage befindet, auf der ein elektronisches Gerät (z. B. ein Smartphone) abgelegt werden kann. Die Vorrichtung kann beispielsweise dazu verwendet werden, die Fläche eines Faches im Innenraum des Fahrzeugs zu erwärmen. Das elektronische Gerät kann dann in dem Fach abgelegt werden, um eine Energieübertragung und/oder Datenübertragung zwischen der Vorrichtung und dem elektronischen Gerät zu ermöglichen. Desweiteren kann so das elektronische Gerät ggf. vor zu tiefen Temperaturen (z. B. im Winter) geschützt werden.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt 1 ein Blockdiagram einer beispielhaften Heizvorrichtung.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit einer Kosten- und Bauraum-effizienten Heizvorrichtung, insbesondere einer Strahlungsheizung, für die Oberfläche eines Fahrzeugs. Eine Strahlungsheizung kann einen Heizdraht umfassen, der mittels eines elektrischen Stroms erwärmt werden kann. Der Heizdraht kann dabei in diverser Weise (z. B. mäanderförmig) entlang einer Oberfläche angeordnet sein, um die Oberfläche des Fahrzeugs aufzuheizen.
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In diesem Dokument wird vorgeschlagen, den Heizdraht (oder allg. den elektrischen Heizkörper) der Heizvorrichtung für weitere Funktionen des Fahrzeugs zu verwenden. Durch die mehrfache Verwendung des elektrischen Heizkörpers können Kosten, Bauraum und Gewicht im Fahrzeug eingespart werden. Desweiteren kann der Auswand für die Anbindung und den Verbau von separaten Komponenten für die weiteren Funktionen reduziert werden.
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Insbesondere kann der elektrische Heizkörper zur Übertragung von elektrischer Energie von der Heizvorrichtung an ein elektronisches Gerät (z. B. an ein Smartphone oder an einen tragbaren Computer) verwendet werden. Der elektrische Heizkörper kann zu diesem Zweck eingerichtet sein, ein elektromagnetisches Ladefeld, insbesondere ein magnetisches Ladefeld, (typischerweise im Langwellenbereich, d. h. kHz Bereich) zu erzeugen. Desweiteren kann der elektrische Heizkörper zur Datenübertragung an das elektronische Gerät verwendet werden. Zu diesem Zweck kann der elektrische Heizkörper eingerichtet sein, modulierte elektromagnetische Wellen (typischerweise im MHz oder GHz Bereich) zu generieren und/oder zu empfangen.
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Mit anderen Worten, es wird eine Oberflächenheizung beschrieben, welche die Funktionen Heizung, drahtlose Energieübertragung und drahtlose Kommunikation schaltbar kombiniert. Dies ist beispielhaft in 1 dargestellt. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Heizvorrichtung 100, die eingerichtet ist, mittels eines gemeinsamen elektrischen Heizkörpers 101 die Funktionen „Heizen einer Oberfläche”, „Energieübertragung auf ein elektronisches Gerät” und „Datenkommunikation mit einem elektronischen Gerät” bereitzustellen.
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Die Heizfunktion kann über einen Heiz-Schalter 111 aktiviert werden. Durch das Schließen des Heiz-Schalters 111 wird das elektrische Energienetz oder Bordnetz 102 des Fahrzeugs mit dem elektrischen Heizkörper 101 gekoppelt. Insbesondere kann dem elektrischen Heizkörper 101 ein Heizstrom 116 (z. B. ein Gleichstrom) zugefügt werden, durch die der elektrische Heizkörper 101 (in der Funktion eines elektrischen Widerstands) aufgeheizt wird und so die Oberfläche des Fahrzeugs erwärmt. Die Vorrichtung 100 kann einen Tiefpassfilter 112 umfassen, um zu gewährleisten, dass der dem elektrischen Heizkörper 101 zugeführte Heizstrom 116 auf einen Frequenzbereich [0, fTP] begrenzt ist, wobei fTP eine obere Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 112 ist. Der Heiz-Schalter 111 und der Tiefpassfilter 112 können Teil einer Heizeinheit 111, 112 der Vorrichtung 100 sein.
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Die Datenübertragungsfunktion kann über einen Daten-Schalter 131 aktiviert werden. Über eine Kommunikationseinheit 133 kann ein elektrisches Übertragungssignal 136 erzeugt werden. Das Übertragungssignal 136 umfasst typischerweise ein elektrisches Trägersignal, das mit einem Datensignal moduliert wurde. Das Trägersignal kann eine Trägerfrequenz ft aufweisen, wobei die Trägerfrequenz ft typischerweise im MHz oder GHz Bereich liegt. Durch einen Hochpassfilter 132 kann erreicht werden, dass das Übertragungssignal 136 auf einen Frequenzbereich [fHP, ∞) begrenzt ist, wobei fHP eine untere Grenzfrequenz des Hochpassfilters 132 ist. Die untere Grenzfrequenz fHP ist kleiner als die Trägerfrequenz ft, d. h. fHP < ft.
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Die Kommunikationseinheit 133, der Daten-Schalter 131, und/oder der Hochpassfilter 132 können Teil einer Dateneinheit 131, 132, 133 der Vorrichtung 100 sein. Die Dateneinheit kann auch eingerichtet sein, über den elektrischen Heizkörper 101 ein elektrisches Empfangssignal zu empfangen und Daten aus dem elektrischen Empfangssignal zu ermitteln. Die zu sendenden Daten und/oder die empfangenen Daten können von anderen Einheiten des Fahrzeugs bezogen oder an andere Einheiten des Fahrzeugs weitergeleitet werden. Beispielsweise kann die Dateneinheit dazu verwendet werden, ein elektronisches Gerät (z. B. über Bluetooth) mit einem Kommunikationssystem des Fahrzeugs zu verbinden. Insbesondere kann so z. B. eine Freisprechanlage des Fahrzeugs mit dem elektronischen Gerät über die Vorrichtung 100 verbunden werden.
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Die Energieübertragungsfunktion kann über einen Energie-Schalter 121 aktiviert werden, wobei der Energie-Schalter 121 eingerichtet ist, das Energienetz 102 des Fahrzeugs mit einem Wechselspannungsgenerator 123 zu koppeln. Der Wechselspannungsgenerator 123 kann einen DC/AC-Wandler umfassen. Der Wechselspannungsgenerator 123 ist eingerichtet, einen AC(Alternating Current)-Ladestrom 126 zu erzeugen. Der AC-Ladestrom 126 weist eine Ladefrequenz f1 auf, wobei die Ladefrequenz f1 typischerweise im kHz Bereich liegt. Durch einen Bandpassfilter 122 kann sichergestellt werden, dass der AC-Ladestrom 126 auf einen mittleren Frequenzbereich [fBP1, fBP2] begrenzt ist, wobei fBP1 und fBP2 die untere und obere Grenzfrequenz des Bandpassfilters 122 sind. Die Ladefrequenz f1 liegt dabei zwischen der unteren und oberen Grenzfrequenz des Bandpassfilters 122, d. h. fBP1 < f1 < fBP2. Der Energie-Schalter 121, der Wechselspannungsgenerator 123 und/oder der Bandpassfilter 122 können Teil einer Energieeinheit 121, 122, 133 der Vorrichtung 100 sein.
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Durch den Tiefpassfilter 112, den Bandpassfilter 122 und den Hochpassfilter 123 können gegenseitige Störungen der Funktionen „Heizen”, „Energieübertragung” und „Datenübertragung” reduziert werden. Zu diesem Zweck ist die obere Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 112 typischerweise kleiner als die untere Grenzfrequenz des Bandpassfilters 122, d. h. fTP < fBP1. Desweiteren ist typischerweise die obere Grenzfrequenz des Bandpassfilters 122 kleiner als die untere Grenzfrequenz des Hochpassfilters 132, d. h. fBP2 < fHP.
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Die Vorrichtung 100 kann eine Steuereinheit 140 umfassen, die eingerichtet ist, die einzelnen Funktionen „Heizen”, „Energieübertragung” und „Datenübertragung” zu steuern. Insbesondere kann die Steuereinheit 140 eingerichtet sein, ein oder mehrere Steuersignale 142 zu generieren, um z. B. ein oder mehrere der Schalter 111, 121, 131 zu steuern. Ein Steuersignal 142 kann in Abhängigkeit von ein oder mehreren Eingangssignalen 141 erzeugt werden. Beispielsweise kann ein Eingangssignal 141 anzeigen, dass ein oder mehrere der o. g. Funktionen aktiviert werden sollen. Daraufhin können Steuersignale 142 für die entsprechenden Schalter 111, 121, 131 erzeugt werden, um die entsprechenden Funktionen zu aktivieren.
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Die Vorrichtung 100 kann eine Detektionseinheit 124 umfassen, die eingerichtet ist, zu erkennen, ob sich ein ladbares elektronisches Gerät in der (ggf. unmittelbaren) Nähe des Heizkörpers 101 befindet. Bei Detektion eines zu ladenden elektronischen Geräts kann automatisch (z. B. über die Steuereinheit 140) eine Aktivierung der Erzeugung eines AC-Ladestroms 126 veranlasst werden.
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Somit kann über den Heiz-Schalter 111 das Energienetz 102 des Fahrzeuges an das Heizelement 101 zum Zwecke der Oberflächenheizung angeschlossen werden. Wenn ein mobiles elektronisches Gerät (z. B. ein mobiles Telefon und/oder ein Smartphone) geladen werden soll, so erfolgt über die explizite Aktivierung des Energie-Schalters 121 oder über eine automatische Erkennung durch die Detektionseinheit 124 die Zuschaltung einer Wechselspannungsquelle 123 an die Heizwendel 101 der Oberflächenheizung. Der Tiefpass 112 und der Bandpass 122 sorgen dabei für eine elektrische Entkoppelung, so dass weder Wechselspannung in das Energiebordnetz 102, noch Gleichspannung auf die Wechselspannungsquelle 123 rückwirkt. Eine unnötige Belastung der Insassen des Fahrzeugs mit Wechselspannung (wenn keine Energieübertragungsfunktion benötigt wird), kann durch die Schaltbarkeit der Wechselspannungsquelle 123 verhindert werden. Zur drahtlosen Kommunikation kann der Heizdraht und/oder die Heizfolie 101 der Oberflächenheizung als Antenne hochpassgekoppelt ausgeführt sein.
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Durch die Kombination der Funktionen „Heizen”, „Energieübertragung” und „Datenübertragung” in eine gemeinsame Einheit 100 unter Verwendung eines gemeinsamen Heizkörpers 101 können Bauraum, Gewicht und Kosten des Fahrzeugs reduziert werden. Außerdem können so Zusatzfunktionen und/oder ein erhöhter Komfort bereitgestellt werden. Beispielsweise kann so ein Mobiltelefon in einer Türablage ohne ein spezielles Gehäuse oder Kabel aufgeladen und/oder in ein Kommunikationsnetz des Fahrzeugs integriert werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
