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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Heizvorrichtung für eine Sichtfläche, insbesondere in Form einer Außensichtvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, sowie ein Steuergerät zur Durchführung eines solchen Verfahrens und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Steuergerät.
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Um ein Beschlagen oder eine Vereisung von Sichtflächen, wie beispielsweise den Spiegelflächen von Außenrückblickspiegeln zu vermeiden, werden diese oftmals beheizt. Hierzu wird meist ein festgelegter, konstanter Heizstrom verwendet. Damit kann sich eine derartige Heizvorrichtung nicht an wechselnde Umgebungsbedingungen anpassen, so dass in vielen Fällen zu viel Strom verbraucht wird. Gerade bei elektrischen Fahrzeugen kann dies die Reichweite des Fahrzeugs beeinträchtigen.
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Aus der
DE 10 2010 040 132 A1 ist ein Verfahren zum Heizen einer Fläche bekannt, bei dem ein Umgebungs-Wert, wie beispielsweise eine Temperatur, die Luftfeuchtigkeit, das Auftreten von Regen oder das Auftreten von Eis, erfasst wird, um eine Heizenergie zum Heizen der Fläche in Abhängigkeit von dem erfassten Umgebungs-Wert zu steuern.
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Solche Systeme sind oftmals sehr komplex und benötigen zusätzliche Sensoren, die die Herstellungskosten erhöhen. Zudem können bestehende, nicht geregelte Systeme nicht ohne weiteres auf diese Weise nachgerüstet werden. Ein weiteres Problem bekannter Systeme liegt in einer oftmals hohen Trägheit der Steuerung. Dies kann insbesondere bei schnellen Temperaturwechseln, wie sie zum Beispiel beim Übergang aus kalten Winterluftbedingungen in eine beheizte Tiefgarage auftreten, zu einem Übersteuern führen, was die Sichtfläche aufgrund des nun viel zu hohen Wärmeeintrags beschädigen kann.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Heizvorrichtung bereitzustellen, das die Nachteile des Stands der Technik überwindet. Dabei soll insbesondere ein geringer Aufwand beim Implementieren vorliegen, selbst bei bestehenden Heizvorrichtungen. Zudem soll eine besonders schnelle Steuerung der Heizvorrichtung ermöglicht werden. Eine Stromeinsparung soll ebenfalls bewirkt werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Heizvorrichtung für eine Sichtfläche, insbesondere einer Außensichtvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, wie in Form eines Außenrückblickspiegels, gelöst, bei welchem ein Heizstrom zumindest eines Heizelementes der Heizvorrichtung gemessen und einer Eingangsgröße für einen Mealy-Automaten zur Steuerung einer Heizleistung der Heizvorrichtung zu Grunde gelegt wird. Dabei ist es bevorzugt, dass aus dem gemessenen Heizstrom eine Temperatur des zumindest einen Heizelements ermittelt wird, und die ermittelte Temperatur als die Eingangsgröße verwendet wird.
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Ein Mealy-Automat ist eine endliche Zustandsmaschine, die für einfache Steuerungsaufgaben verwendet werden kann. Der Begriff „Automat“ wird hier im Sinne der theoretischen Informatik verwendet und beschränkt nicht die Möglichkeiten der praktischen Implementierung eines solchen Automaten. Diese kann sowohl rein schaltungstechnisch als auch in Form eines Programms auf einer universellen Rechenmaschine erfolgen.
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Die Ausgabe eines Mealy-Automaten - hier also die Steuersignale für die Heizvorrichtung - bestimmt sich aus seinem Zustand und einem jeweiligen Eingabewert. Als initialer Eingabewert wird hier vorzugsweise die ermittelte Temperatur des zumindest einen Heizelements verwendet. Diese bestimmt also den Anfangszustand des Mealy-Automaten und damit auch die erste Steuerausgabe.
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Da die Heizelemente üblicher Heizvorrichtungen meist aus gedruckten metallischen Bahnen bestehen, weist deren Widerstand einen Temperaturkoeffizienten auf, ändert sich also mit der Temperatur des Heizelements. Daher kann von dem gemessenen Heizstrom auf die Temperatur des Heizelements geschlossen werden. Da die Heizvorrichtung vor dem Einschalten im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung steht, entspricht die aus dem Heizstrom ermittelte Temperatur also im Wesentlichen der Umgebungstemperatur.
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Damit wird ein Verfahren geschaffen, das ausgehend von der anfänglich ermittelten Umgebungstemperatur einen stabile Steuerung der Heizvorrichtung ermöglicht, die ein unnötiges Beheizen der Sichtfläche vermeidet und unempfindlich gegenüber Übersteuerung ist. Ferner ist es problemlos möglich, bestehende Steuergeräte für Heizvorrichtungen für die Durchführung eines solchen Verfahrens umzurüsten, da keinerlei zusätzliche Sensoren oder elektronische Komponenten benötigt werden.
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Bei bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass beim Ablauf des Mealy-Automaten wiederholt der Widerstand und/oder der Heizstrom in dem zumindest einen Heizelement gemessen wird, und der Heizstrom auf Grundlage dieser Messung angepasst wird. Mit anderen Worten dient der wiederholt gemessene Widerstand und/oder Heizstrom in dem Heizelement als Eingangsgröße für die weitere zeitliche Entwicklung des Mealy-Automaten und bestimmt damit sowohl dessen zukünftigen Zustand als auch dessen Steuerausgaben. Damit kann sichergestellt werden, dass der Heizstrom in jeweils vorgegebenen Sollbereichen verbleibt und beispielsweise die Sichtfläche nicht überhitzt oder unnötig beheizt wird.
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Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der Mealy-Automat eine Tabelle umfasst oder auf eine Tabelle zugreift, die eine Beziehung zwischen dem Widerstand des zumindest einen Heizelements und einem daraus resultierenden Soll-Heizstrom widergibt. Die Tabelle stellt also die Steuervorgabe dar, anhand derer der Mealy-Automat den Heizstrom für das zumindest eine Heizelement steuert. Eine solche Tabelle kann rechnerisch durch Modellierung der Heizvorrichtung erzeugt werden oder aber auch anhand von Erfahrungswerten erstellt werden. Damit ist beispielsweise auch eine Rekalibrierung des Steuervorgangs, etwa im Rahmen einer regelmäßigen Wartung, möglich.
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Durch den Mealy-Automaten kann ein Wert für den Heizstrom gemäß dem aus der Tabelle ermittelten Soll-Heizstrom festgelegt werden, und ein Heizstrom des festgelegten Werts kann in das zumindest eine Heizelement eingespeist werden. Dies stellt den Grundzustand des Mealy-Automaten dar. Solange keine Eingabewerte vorliegen, die eine Zustandsänderung des Mealy-Automaten notwendig machen würden, erfolgt also die Steuerung anhand der in der Tabelle vorgegebenen Sollwerte, die bevorzugt bezüglich einer Minimierung des Stromverbrauchs optimiert sind.
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Erfindungsgemäß kann dabei vorgesehen sein, dass ein puslweitenmodulierter Heizstrom verwendet wird, und bei Abweichen des gemessenen Heizstroms vom Soll-Heizstrom ein Tastgrad des Heizstroms angepasst wird. Auf diese Weise ist eine besonders einfache und schnelle Anpassung der Heizleistung der Heizvorrichtung möglich. Unter dem Tastgrad wird dabei das Verhältnis der Pulsweite des Stroms zu dessen Periodenlänge verstanden. Durch die Änderung des Tastgrads kann somit die an die Heizvorrichtung abgegebene Energie einfach und genau angepasst werden.
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Dabei kann wiederum nach der Erfindung vorgesehen sein, dass bei Überschreiten des Soll-Heizstroms durch den gemessenen Heizstrom der Tastgrad des Heizstroms verringert wird. Mit anderen Worten wird in diesem Fall also die Pulsweite des Heizstroms reduziert, so dass sich die abgegebene Heizenergie verringert. Dies stellt einen weiteren Zustand des Mealy-Automaten dar, in dem dieser verbleibt, bis der Heizstrom wieder dem Sollheizstrom entspricht.
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Ferner kann wiederum nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der bei Unterschreiten des Soll-Heizstroms durch den gemessenen Heizstrom der Tastgrad des Heizstroms erhöht wird. In Umkehrung zum vorher geschilderten Fall wird hier also die Pulsweite des Heizstroms vergrößert, so dass sich die abgegebene Heizenergie erhöht. Auch dies stellt einen weiteren Zustand des Mealy-Automaten dar, in dem dieser verbleibt, bis der Heizstrom wieder dem Sollheizstrom entspricht.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Kommunikation zwischen einem Steuergerät, auf welchem der Mealy-Automat implementiert ist, und der Heizvorrichtung ein LIN-Bus (Local Interconnect Network) verwendet. Damit kann also das Verfahren auf bestehenden Bus-Systemen implementiert werden, die ohnehin im Kraftfahrzeug vorhanden sind. Aufwändige und teure Aufrüstungen des Kraftfahrzeugs sind daher nicht notwendig.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät, welches zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgelegt ist, sowie einen Kraftfahrzeug mit einem solchen Steuergerät. Auch hier kommen die genannten Vorteile zu Tragen.
Während es im Stand der Technik üblich ist, dass insbesondere Autoaußenspiegel von Kraftfahrzeugen zwar eine Heizung besitzen, ohne dass jedoch deren Temperatur an das Kraftfahrzeug zurückgegeben wird, um eine Steuerung des Stroms der Heizung zu ermöglichen, insbesondere zwecks Stromeinsparung, liefert die Erfindung ein System, bei dem genau dies verwirklicht wird. Es ist erfindungsgemäß selbst möglich, ohne zusätzliche Hardware und ausschließlich aufgrund von Softwareänderungen die Information zur Temperatur eines Spiegels an das Kraftfahrzeug zurückzugeben, um so Ressourcen optimierend die Heizung anzusteuern. Dies ermöglicht einem Autohersteller unter anderem auch, ausschließlich über ein Software Update sowohl seine laufende Baureihe als auch seine neuen Baureihen mit einer Stromsparfunktion auszurüsten. Dies ist besonders auch für Elektrofahrzeuge attraktiv, um die Reichweite derselben zu erhöhen.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand einer schematischen Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 ein Zustandsdiagramm eines im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Mealy-Automaten.
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Das in 1 gezeigte Zustandsdiagramm veranschaulicht die fünf möglichen Zustände S0... S4 eines für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren Mealy-Automaten. Die Zustände sind dabei als Kreise dargestellt (Knoten des Zustandsdiagramms). Pfeile (Kanten des Zustandsdiagramms) kennzeichnen mögliche Übergänge zwischen den Zuständen S0... S4.
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Bei einem Mealy-Automaten erfolgt ein Übergang zwischen zwei Zuständen in Abhängigkeit von einer Eingabe. Gleichzeitig wird eine Ausgabe erzeugt, die sowohl vom jeweiligen Zustand S0... S4, als auch von der Eingabe abhängt.
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Für die Verwendung zur Steuerung einer Heizvorrichtung dient als Eingabewert für den gezeigten Mealy-Automaten ein gemessener Wert für den Strom durch zumindest ein Heizelement der Heizvorrichtung. Der tatsächlich durch das Heizelement fließende Strom ist nämlich zum Widerstand des Heizelements proportional, der wiederum aufgrund seines Temperaturkoeffizienten von der Temperatur des Heizelements abhängt. Damit erhält der Mealy-Automat also indirekt eine Information über die Temperatur des zumindest einen Heizelements als Eingabe.
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Der Ausgabewert stellt den Tastgrad eines pulsweitenmodulierten Heizstroms dar, der in das zumindest eine Heizelement eingespeist wird. Der Tastgrad eines pulsweitenmodulierten Signals entspricht dem Verhältnis zwischen Pulsbreite und Periode des Signals. Bei höherem Tastgrad wird also pro Zeiteinheit mehr Energie in das zumindest eine Heizelement eingespeist als bei niedrigerem Tastgrad.
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Insgesamt kann somit also eine Steuerung der Heizleistung in Abhängigkeit von der Temperatur des zumindest einen Heizelements verwirklicht und sichergestellt werden, dass vorgegebene Soll-Temperaturen eingehalten werden können.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann wie folgt ablaufen:
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Beim Einschalten der Heizvorrichtung wird zunächst ein Messimpuls an das zumindest eine Heizelement abgegeben, und der resultierende Stromfluss durch das zumindest eine Heizelement registriert. Da sich das Heizelement vor dem Einschalten im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung befindet, hängt dieser Stromfluss also von der Umgebungstemperatur ab.
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Damit dient also die Umgebungstemperatur als anfängliche Eingabe für den Mealy-Automaten. Dieser befindet sich beim Einschalten der Heizvorrichtung im Zustand S0 und entnimmt nun einer Tabelle, die einen exakt berechneten Zusammenhang zwischen der Temperatur bzw. dem Innenwiderstand des zumindest einen Heizelements und einem zugeordneten Soll-Heizstrom widergibt, den jeweils anhand der Temperatur erwünschten Heizstrom. Das zumindest eine Heizelement wird nun mit dem so ausgewählten Heizstrom beaufschlagt.
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Mit anderen Worten wird anhand der anfänglichen Eingabe somit das jeweils relevante Heizprogramm für die Heizvorrichtung bestimmt, dessen Einhaltung anschließend durch den Mealy-Automaten überwacht und sichergestellt wird.
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Während des weiteren Betriebs der Heizvorrichtung wird nun periodisch der Stromfluss durch das zumindest eine Heizelement gemessen. Sofern dieser noch der Vorgabe entspricht, verbleibt der Mealy-Automat im Zustand S0 und steuert die Heizvorrichtung gemäß der Tabellenvorgabe.
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Ist der gemessene Stromfluss zu hoch, so geht der Mealy-Automat in den Zustand S1 und anschließend den Zustand S2 über. Als Ausgabe erzeugt der Mealy-Automat nun einen verringerten Tastgrad für den Heizstrom, so dass der Heizvorrichtung weniger Energie zugeführt wird und sie sich dementsprechend abkühlt. Der Automat verbleibt in diesen Zuständen, bis eine neue Eingabe - also ein neuer gemessener Stromfluss durch das zumindest eine Heizelement - vorliegt, die der tabellarischen Sollvorgabe entspricht. Sobald dies der Fall ist, kehrt der Mealy-Automat in den Grundzustand S0 zurück.
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Auf analoge Weise geht der Mealy-Automat in den Zustand S3 und anschließend den Zustand S4 über, wenn der gemessene Stromfluss zu niedrig ist. Als Ausgabe erzeugt der Mealy-Automat nun einen erhöhten Tastgrad für den Heizstrom, so dass der Heizvorrichtung mehr Energie zugeführt wird und sie sich dementsprechend erwärmt. Der Automat verbleibt nun wiederum in diesen Zuständen, bis eine neue Eingabe - also ein neuer gemessener Stromfluss durch das zumindest eine Heizelement - vorliegt, die der tabellarischen Sollvorgabe entspricht. Sobald dies der Fall ist, kehrt der Mealy-Automat in den Grundzustand S0 zurück.
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Insgesamt wird so also die Heizleistung und damit die Temperatur der Heizvorrichtung stabil auf den vorgegebenen Sollwert gemäß der Tabelle und der durch den anfänglichen Messpuls bestimmten Umgebungstemperatur gehalten. Da jede Zustandsänderung eines Mealy-Automaten unmittelbar mit einer Ausgabe einhergeht, ist die Steuerung zudem sehr schnell und vermeidet damit ein Übersteuern, wie es bei trägeren Steuer- oder Regelsystemen vorkommen kann. Der gezeigte Mealy-Automat kann zudem auf einfache Weise in bestehenden Steuergeräten implementiert werden, so dass zur Aufrüstung eines älteren Systems gegebenenfalls lediglich ein Softwareupdate notwendig ist.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- S0... S4
- Zustände des Mealy-Automaten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010040132 A1 [0003]
