DE102019210734A1

DE102019210734A1 - Betriebsverfahren einer elektrischen Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE102019210734A1
Application number: DE102019210734.6A
Authority: DE
Inventors: Lena Funk; Marcel Hülss; Stefan Pätzold; Falk Viehrig
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren einer elektrischen Heizeinrichtung (1) zum Beheizen von Luft (L), umfassend die folgenden Maßnahmen:a) Einstellen einer zu erbringenden Soll-Heizleistung (PSoll) in der Heizeinrichtung (1) und Aktivieren der Heizeinrichtung (1);b) Bestimmen einer ersten Temperatur (T1) und einer zweiten Temperatur (T2) an zwei voneinander verschiedenen Positionen (P1, P2) in der Heizeinrichtung (1) und Ermitteln einer Vergleichstemperatur (TV) aus den beiden Temperaturen (T1, T2);c) Falls die in Maßnahme b) ermittelte Vergleichstemperatur (TV) einen vorgegebenen Temperatur-Schwellwert (TS) überschreitet: Deaktivieren der Heizeinrichtung (1);d) Bereitstellen eines zweidimensionalen Kennfeld (KF) mit der Soll-Heizleistung (PSoll) als Ordinate (15) und dem Temperaturdifferenz-Betrag (ΔT) als Abszisse (14), derart, dass jedem Wertepaar (WP) aus Soll-Heizleistung (PSoll) und Vergleichstemperatur (TV) entweder einem unsicheren Bereich (12) oder einem sicheren Bereich (13) des zweidimensionalen Kennfelds (KF) zugeordnet werden kann;e) Vergleich des Wertepaars (WP) aus der in Maßnahme a) eingestellten Soll-Heizleistung (PSoll) und aus dem in Maßnahme c) ermittelten Vergleichstemperatur (TV) mit dem in Maßnahme d) bereitgestellten Kennfeld (KF), und, falls dieser Vergleich ergibt, dass das Wertepaar dem unsicheren Bereich (12) zugeordnet ist: Reduzieren der Soll-Heizleistung (PSoll) derart, dass das sich ergebende neue Wertepaar (WP) aus der reduzierten Soll-Heizleistung (P_Soll)

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren einer elektrischen Heizeinrichtung zum Beheizen von Luft, insbesondere in einer Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner eine Heizeinrichtung, die zur Durchführung dieses Verfahrens eingerichtet/programmiert ist.
Elektrische Heizeinrichtungen mit PTC-Heizelementen kommen insbesondere in Elektrofahrzeugen in zunehmendem Maße zum Einsatz. Mangels anderer Heizquellen müssen zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums in Fahrzeugen mit ausschließlich elektrischem Antrieb von der Heizeinrichtung erhebliche Heizleistungen im Kilowattbereich erbracht werden. Je leistungsstärker die jeweilige Heizeinrichtung ausgelegt wird, desto größer ist die Gefahr, dass aufgrund von zu hohen Temperaturen die Heizeinrichtung oder andere Bestandteile des Kraftfahrzeugs beschädigt werden können. Im Extremfall kann für Fahrzeuginsassen eine nicht unerhebliche Verletzungsgefahr aufgrund zu hoher Temperaturen der Heizelemente bestehen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein Betriebsverfahren einer Heizeinrichtung zum Beheizen von Luft - insbesondere in einer Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs - eine verbesserte Ausführungsform zu schaffen, bei welcher die oben genannten Probleme teilweise oder sogar vollständig ausgeräumt sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundidee der Erfindung ist demnach, die der Heizeinrichtung zugeführte elektrische Heizleistung so zu regeln, dass eine Überhitzung der Heizeinrichtung ausgeschlossen wird. Dabei wird der Regeleingriff so ausgeführt, dass in unterschiedlichen Betriebszuständen - insbesondere bei unterschiedlichen in der Heizeinrichtung eingestellten Soll-Heizleistungen - lokale Temperaturerhöhungen an besonders kritischen Positionen in der Heizeinrichtung ausschlossen werden können.
In einer elektrischen Heizeinrichtung gilt folgender physikalischer Zusammenhang: $Δ .$
Dabei ist P_Heiz die der Heizeinrichtung zugeführte elektrische Heizleistung, d/dt m der Massenstrom durch die Heizeinrichtung, c_P die spezifische Wärmekapazität der Luft und ΔT der mittlere Temperaturunterschied in der Luft in innerhalb der Heizeinrichtung.
Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an zwei verschiedenen Positionen in der Heizeinrichtung die momentane Temperatur ermittelt. Durch Vergleich der auf diese Weise bestimmten Temperaturwerte kann eine Vergleichstemperatur bestimmt werden. Bevorzugt wird die Vergleichstemperatur durch Berechnung des Betrags der Differenz aus beiden Temperaturwerten ermittelt. Dieser Wert für die Vergleichstemperatur entspricht dem o.g. mittleren Temperaturunterschied ΔT.
Erfindungswesentlich ist die Verwendung eines vorab für eine spezifische Bauform der Heizeinrichtung ermittelten zweidimensionalen Kennfeldes aus Vergleichstemperatur bzw. Temperaturdifferenz-Betrag und in der Heizeinrichtung eingestellter Soll-Heizleistung. Jedes durch das Kennfeld festgelegte Wertepaar des Kennfelds aus Vergleichstemperatur bzw. Temperaturdifferenz-Betrag und Soll-Heizleistung ist dabei entweder einem unsicheren oder einem sicheren Bereich des Kennfelds zugeordnet. Durch den unsicheren Bereich sind dabei Wertepaare festgelegt, bei welchen grundsätzlich die Gefahr des Auftretens zu hoher Temperaturen in der Heizeinrichtung besteht, so dass betreffend die in der Heizeinrichtung eingestellte Soll-Heizleistung ein Regeleingriff erforderlich ist.
Erfindungsgemäß erfolgt ein solcher Regeleingriff durch Reduzierung der in der Heizeinrichtung eingestellten Soll-Heizleistung derart, dass das sich ergebende neue Wertepaar aus - unveränderter - Vergleichstemperatur und reduzierter Soll-Heizleistung nicht dem unsicheren Bereich, sondern dem sicheren Bereich zugeordnet ist. Durch den sicheren Bereich sind Wertepaare aus Vergleichstemperatur bzw. Temperaturdifferenz-Betrag und Soll-Heizleistung festgelegt, bei welchen nicht die Gefahr des Auftretens zu hoher Temperaturen in der Heizeinrichtung besteht, so dass in der Heizeinrichtung kein Regeleingriff zum Reduzieren der Heizleistung notwendig ist.
Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit das ermittelte Wertepaar mit dem Kennfeld abgeglichen und, falls eine Zuordnung zu einem unsicheren Bereich erkannt wurde, durch einen Regelengriff die in der Heizeinrichtung eingestellte Soll-Heizleistung verringert.
Auf diese Weise kann das Auftreten von zu hohen Temperaturen in der Heizeinrichtung wirksam unterbunden werden.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren einer elektrischen Heizeinrichtung zum Beheizen von Luft, insbesondere in einer Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs, umfasst die folgenden Maßnahmen: In einer ersten Maßnahme a) wird eine zu erbringende Soll-Heizleistung in der Heizeinrichtung eingestellt. Anschließend wird die Heizeinrichtung aktiviert, so dass diese Heizleistung erzeugt. In einer zweiten Maßnahme b) werden eine erste Temperatur an einer ersten Position und eine zweite Temperatur an einer von der ersten Position verschiedenen - also beabstandeten - zweiten Position in bzw. innerhalb der Heizeinrichtung bestimmt und aus beiden Temperaturen eine Vergleichstemperatur berechnet. In einer dritten Maßnahme c) wird geprüft, ob die in Maßnahme b) ermittelte Vergleichstemperatur -bevorzugt der Betrag der Differenz der beiden Temperaturen - einen vorgegebenen Temperatur-Schwellwert überschreitet. Falls dies der Fall ist, wird die Heizeinrichtung ausgeschaltet und das Verfahren beendet. Andernfalls wird das Verfahren wie nachfolgend erläutert - ohne Deaktivieren der Heizeinrichtung - fortgesetzt. In diesem Fall wird gemäß einer vierten Maßnahme d) ein zweidimensionales Kennfeld mit der Soll-Heizleistung als Ordinate und dem Temperaturdifferenz-Betrag als Abszisse - oder mit umgekehrter Zuordnung - bereitgestellt. Das Kennfeld ist derart ausgebildet, dass jedes Wertepaar aus Soll-Heizleistung und Temperaturdifferenz-Betrag entweder einem unsicheren Bereich oder einem sicheren Bereich des zweidimensionalen Kennfelds zugeordnet werden kann. Gemäß einer fünften Maßnahme e) wird das Wertepaar aus der in Maßnahme a) eingestellten Soll-Heizleistung und aus der in Maßnahme c) ermittelten Vergleichstemperatur mit dem in Maßnahme d) bereitgestellten Kennfeld verglichen. Hierzu wird geprüft, ob besagtes Wertepaar dem sicheren Bereich oder dem unsicheren Bereich zugeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die in Maßnahme b) ermittelte Vergleichstemperatur der Betrag einer Differenz der beiden Temperaturen. Auf diese Weise kann die bereits genannte Beziehung P_Heiz = d/dt m * c_P * ΔT, abgebildet werden, wobei ΔT der Betrag der Differenz der beiden Temperaturen ist.
Falls der Vergleich ergibt, dass das Wertepaar dem unsicheren Bereich zugeordnet ist, wird die bislang eingestellte Soll-Heizleistung zumindest soweit, vorzugsweise genau soweit reduziert, dass das sich ergebende neue Wertepaar aus der reduzierten Soll-Heizleistung und aus der in Maßnahme c) ermittelten Vergleichstemperatur dem sicheren Bereich des Kennfelds zugeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird nach Durchführung von Maßnahme e) das Verfahren mit Maßnahme b) fortgesetzt, so dass das Verfahren iterativ mit mindestens zwei Iterationen durchgeführt wird.
Besonders bevorzugt werden zumindest die Maßnahmen b) bis d) des Verfahrens iterativ durchgeführt, und zwar solange, bis dass Verfahren wie oben beschrieben in Maßnahme c) beendet wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird in Maßnahme c) zusätzlich die Temperatur an einem Luftauslass der Heizeinrichtung ermittelt, die Heizeinrichtung deaktiviert und das Verfahren beendet, falls der ermittelte Temperaturwert einen vorbestimmten kritischen Wert überschreitet. Auf diese Weise wird eine zu starke Aufheizung der durch die Heizeinrichtung geführten Luft beim Austritt aus der Heizeinrichtung verhindert.
Besonders bevorzugt weist das Kennfeld wenigstens einen unsicheren Bereich, vorzugsweise wenigstens zwei unsichere Bereiche, und wenigstens einen sicheren Bereich, vorzugsweise wenigstens zwei sichere Bereiche, auf.
Zweckmäßig umfasst das zweidimensionale Kennfeld als ersten Parameter den Temperaturdifferenz-Betrag und als zweiten Parameter die Soll-Heizleistung. Dabei ist jedes Wertepaar dieser beiden Parameter dem unsicheren Bereich oder dem sicheren Bereich zugeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird das zweidimensionale Kennfeld vorab festgelegt, so dass es zur Durchführung der Maßnahmen a) bis e) zur Verfügung steht.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden zur Festlegung des Kennfelds die beiden Temperaturen jeweils an mehreren Positions-Paaren gemessen, wobei an jedem Positions-Paar die Heizleistung variiert und aus den beiden Temperaturen die Vergleichstemperatur bestimmt wird, so dass für jedes Positionspaar eine Vielzahl von Werte-Paaren aus Heizleistung und Vergleichstemperatur ermittelt wird. Außerdem wird für jedes Positions-Paar und für jedes Werte-Paar aus Heizleistung und Vergleichstemperatur festgelegt, ob das jeweilige Werte-Paar dem sicheren oder dem unsicheren Bereich des Kennfelds zugeordnet wird.
Besonders bevorzugt erfolgt besagte Zuordnung zum sicheren oder unsicheren Betriebszustand durch Überprüfung wenigstens eines Betriebsparameters der Heizeinrichtung. Zweckmäßig kann der wenigstens eine Betriebsparameter eine in der Heizeinrichtung gemessene maximal auftretende Temperatur sein.
Besonders bevorzugt kann das Kennfeld vor Durchführung der Maßnahmen b) bis e), also insbesondere im Zuge der Durchführung des Vorverfahrens, in einer das Verfahren ausführenden Steuerungs-/Regelungseinrichtung gespeichert werden. Somit steht das Kennfeld zur späteren Durchführung des eigentlichen Verfahrens zur Verfügung.
Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Heizeinrichtung für eine Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs. Die Heizeinrichtung umfasst wenigstens einen Luftpfad zum Durchströmen mit Luft sowie wenigstens ein im Luftpfad angeordnetes elektrisches Heizelement - vorzugsweise ein PTC-Heizelement - zum Erwärmen der durch den Luftpfad geführten Luft. Die Erfindung betrifft auch eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung, die zum Steuern/Regeln einer von dem wenigstens einen elektrischen Heizelement erzeugten Heizleistung und zur Durchführung des voranstehend erläuterten, erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet/programmiert ist. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße Heizeinrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Heizeinrichtung einen ersten und einen zweiten Temperatursensor, die zum Bestimmen der ersten bzw. zweiten Temperatur eingerichtet sind und hierzu an zwei unterschiedlichen Positionen im Luftpfad, also im Abstand zueinander, angeordnet sind. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne weitere Modifikationen der Heizeinrichtung durchgeführt werden. Zweckmäßig stehen die beiden Temperatursensoren hierzu mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung der Heizeinrichtung in Kommunikationsverbindung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung führt der wenigstens eine Luftpfad der Heizeinrichtung von einem Luftpfad zu einem Luftauslass. Bei dieser Weiterbildung ist ein zusätzlicher Temperatursensor am Luftauslass angeordnet, so dass er die momentane Temperatur am Luftauslass bestimmen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Heizeinrichtung zumindest zwei Luftpfade mit jeweils einem ersten und einem zweiten Temperatursensor auf, so dass das voranstehend vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren für jeden der zumindest zwei Luftpfade unabhängig voneinander ausgeführt werden kann. Die Temperatorsensoren stehen mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung in Kommunikationsverbindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Luftpfad in zumindest einem Luftpfadabschnitt geradlinig entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Temperatursensor entweder entlang der Hauptdurchströmungsrichtung oder senkrecht zur Erstreckungsrichtung oder entlang einer virtuellen Geraden, die unter einem spitzen Winkel zur Hauptdurchströmungsrichtung verläuft, jeweils im Abstand zueinander, angeordnet.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind zwei elektrische Heizelemente vorgesehen, die quer zur Hauptdurchströmungsrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind und den Luftpfad quer zur Hauptdurchströmungsrichtung begrenzen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Kennfeld für eine bestimmte Bauform der Heizeinrichtung individuell festgelegt. Somit kann das Verfahren in unterschiedlichste Bauformen verwendet und für diese optimiert werden.
Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung kann in einer Weiterbildung zwei oder mehr Luftpfade mit jeweils einem ersten und mit einem zweiten Temperatursensor aufweisen, so dass das erfindungsgemäße Verfahren für jeden der zumindest zwei Luftpfade unabhängig voneinander ausgeführt werden kann. Die vorhandenen Luftpfade können fluidisch parallel oder in Reihe zueinander angeordnet sein. Diese Weiterbildung ist mit den vorangehend erläuterten Ausführungsformen, soweit sinnvoll, kombinierbar.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:

1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung in schematischer, stark vereinfachter Darstellung,
2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine das erfindungswesentliche Kennfeld beispielhaft illustrierende Darstellung,
4-6 Varianten der Heizeinrichtung gemäß 1, die sich von dieser bzgl. der Position der beiden Temperatursensoren unterscheiden,

1 zeigt in grobschematischer stark vereinfachter Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung 1 für eine Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs. Die Heizeinrichtung 1 umfasst einen Luftpfad 2 zum Durchströmen mit Luft L. Der Luftpfad 2 erstreckt sich von einem Lufteinlass 3, über welchen die zu erwärmende Luft L in die Heizeinrichtung 1 eintritt, zu einem Luftauslass 4, über welchen die erwärmte Luft L wieder aus der Heizeinrichtung 1 austritt. In der Heizeinrichtung 1 bzw. in deren Luftpfad 2 sind exemplarisch zwei elektrische Heizelemente 5a, 5b angeordnet, die jeweils als PTC-Heizelemente 6a, 6b ausgebildet sein können. Der technische Aufbau der Heizelemente 5a, 5b ist nicht Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung und dem einschlägigen Fachmann bekannt, sodass eine auf eine detailliertere Erläuterung diesbezüglich verzichtet wird. An zwei verschiedenen, also zueinander beanstandeten Positionen P1, P2 innerhalb der Heizeinrichtung 1 ist ein erster bzw. zweiter Temperatursensor 8a, 8b vorgesehen, an welchem lokal, also im Bereich der Position P1 bzw. P2 die momentane Temperatur T1 bzw. T2 gemessen werden kann.
Im Beispiel der 1 sind die beiden Temperatursensoren 8a, 8b entlang der Hauptdurchströmungsrichtung H angeordnet. Bezüglich einer Querrichtung Q, die senkrecht zur Hauptdurchströmungsrichtung H verläuft, sind die beiden Temperatursensoren 8a, 8b zentriert im Luftpfad 2 angeordnet. Denkbar ist, dass die beiden Heizelemente 5a, 5b beide in der Querrichtung Q oder beide entgegengesetzt zur Querrichtung Q um den Abstand a versetzt zur Symmetrieachse S angeordnet sind.
Im stark vereinfachten Beispiel der 1 erstreckt sich der Luftpfad 2 geradlinig entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung H. Selbstredend kann in Varianten bzw. Weiterbildungen des Beispiels auch eine nicht-gerade Erstreckung vorgesehen sein, oder eine Ausgestaltung des Luftpfads 2 derart, dass nur eine oder mehrere Luftfahrtabschnitte 19 geradlinig ausgebildet sind, Zwischenabschnitte (nicht gezeigt) hingegen gekrümmt oder mit anderer nicht-geradliniger Kontur.
Die Heizeinrichtung 1 umfasst gemäß 1 eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7, die zum Steuern/Regeln der von den beiden elektrischen Heizelementen 5a, 5b erzeugten elektrischen Heizleistung und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet/programmiert ist. Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 steht mit den beiden Temperatursensoren 8a, 8b in Kommunikationsverbindung, sodass der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 die von den Temperatursensoren 8a, 8b gemessenen Temperaturen T1 bzw. T2 an den Positionen P1, P2 für die Durchführung des Verfahrens zur Verfügung steht. Ebenfalls steht die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 mit den beiden elektrischen Heizelementen 5a, 5b in Kommunikationsverbindung, sodass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 die beiden Heizelemente 5a, 5b ansteuern und insbesondere die von den Heizelementen 5a, 5b zu erbringende elektrische Heizleistung einstellen kann. Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 umfasst eine Ausführungseinheit 10, von welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird, und eine mit der Ausführungseinheit 10 in Kommunikationsverbindung stehende Speichereinheit 11 in welcher zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigte Daten sowie Softwarecode, der das erfindungsgemäße Verfahren wiedergibt, abgelegt sein können. Die genannten Kommunikationsverbindungen sind in 1 in Form schematischer Pfeile, die mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet sind, angedeutet.
Im Beispiel der 1 ist ein zusätzlicher Temperatursensor 18, der zum Bestimmen einer Temperatur T_Zusatz am Luftauslass 4 eingerichtet ist, am Luftauslass 4 angeordnet. Der zusätzliche Temperatursensor 18 steht ebenso wie die beiden Temperatursensoren 8a, 8b mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 in Kommunikationsverbindung.
Die 2 illustriert in Form eines Ablaufdiagramms beispielhaft das erfindungsgemäße Verfahren, welches in der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 der Heizeinrichtung 1 der 1 ausgeführt werden kann.
Gemäß einer ersten Maßnahme a) wird in den elektrischen Heizelementen 5a, 5b der Heizeinrichtung 1 eine von dieser zu erbringende Soll-Heizleistung P_Soll eingestellt. Anschließend werden die Heizelemente 5a, 5b der Heizeinrichtung 1 von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 aktiviert, so dass diese Heizleistung erzeugen.
Gemäß einer zweiten Maßnahme b) wird an zwei voneinander verschiedenen Positionen P₁ , P₂ . Gemäß einer zweiten Maßnahme b) werden mithilfe der beiden Temperatursensoren 8a, 8b an den beiden Positionen P₁ , P₂ die momentanen Temperaturen T₁, T₂ ermittelt. Ebenfalls in Maßnahme b) wird aus den beiden Temperaturen T₁, T₂ eine Vergleichstemperatur T_V ermittelt. Dies geschieht durch Ermitteln eines Differenz-Betrags der Temperaturdifferenz ΔT zwischen den beiden Temperaturen T₁, T₂, also ΔT = | T₁-T₂ |.
Falls die in Maßnahme b) ermittelte Vergleichstemperatur T_V einen vorgegebenen Temperatur-Schwellwert T_S überschreitet, werden die elektrischen Heizelemente 5a, 5b der Heizeinrichtung 1 gemäß einer Maßnahme z1 deaktiviert, so dass diesen keine elektrische Leistung mehr zugeführt wird. Danach wird das Verfahren beendet. Optional kann in einer auf Maßnahme z1 folgenden Maßnahme z2 ein Warnsignal erzeugt oder/und ausgegeben werden.
Optional kann vorgesehen sein, dass in Maßnahme c) zusätzlich geprüft wird, ob die mittels des zusätzlichen Temperatursensors 18 am Luftauslass 4 ermittelte Temperatur T_Zusatz am Luftauslass 4 einen kritischen Wert T_{Zusatz_kritisch} überschritten hat. Falls dies zutrifft, kann gemäß den bereits erläuterten Maßnahme z1 und z2 verfahren werden, also die Heizeinrichtung 1 deaktiviert und das Verfahren anschließend beendet werden.
Falls keine Überschreitung des Temperatur-Schwellwerts T_S und auch keine - optional geprüfte - Überschreitung der kritischen Temperatur T_{Zusatz_kritisch} der am Luftauslass 4 ermittelten Temperatur T_Zusatz festgestellt werden konnte, so wird das Verfahren ohne Deaktivierung der elektrischen Heizelemente 5a, 5b der Heizeinrichtung 1 mit Maßnahme d) fortgesetzt.
In diesem Fall wird gemäß einer vierten Maßnahme d) ein in 3 beispielhaft dargestelltes zweidimensionales Kennfeld KF mit der Soll-Heizleistung P_Soll als Ordinate 14 und der Vergleichstemperatur T_V bzw. dem Temperaturdifferenz-Betrag ΔT als Abszisse 15 - denkbar ist auch eine umgekehrte Zuordnung - herangezogen. Das Kennfeld KF ist derart ausgebildet, derart, dass jedem Wertepaar WP aus Soll-Heizleistung P_Soll und Vergleichstemperatur T_V bzw. Temperaturdifferenz-Betrag ΔT entweder einem unsicheren Bereich 12 oder einem sicheren Bereich 13 des zweidimensionalen Kennfelds KF zugeordnet werden kann. Wie die Darstellung der 3 veranschaulicht, weist das zweidimensionale Kennfeld KF hierzu einen unsicheren Bereich 12 und einen sicheren Bereich 13 auf. Der Temperaturdifferenz-Betrag ΔT kann wie in 3 gezeigt eine Abszisse 14 des zweidimensionalen Kennfelds KF bilden, die Soll-Heizleistung P_Soll eine Ordinate 15, oder umgekehrt (in 3 nicht gezeigt).
In 3 ist beispielhaft ein Kennfeld KF mit genau einem unsicheren Bereich 12 und mit genau einem sicheren Bereich 13 dargestellt. Die beiden Bereiche 12, 13 sind durch eine Trennlinie 17 voneinander getrennt. Das Kennfeld KF kann in der Speichereinheit 11 der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 7 abgelegt, also gespeichert sein.
Gemäß einer fünften Maßnahme e) wird ein Wertepaar WP aus der in Maßnahme a) eingestellten Soll-Heizleistung P_Soll und aus dem in Maßnahme c) ermittelten Temperaturdifferenz-Betrag ΔT mit dem bereitgestellten Kennfeld KF verglichen. Nur falls dieser Vergleich ergibt, dass das Wertepaar WP dem unsicheren Bereich 12 zugeordnet ist, wird von der Steuerungs-/Regelungs-einrichtung 7 die Soll-Heizleistung P_Soll derart reduziert, dass das sich ergebende neue Wertepaar WP_neu aus der reduzierten Soll-Heizleistung P_{Soll_reduziert} und aus dem in Maßnahme c) ermittelten Temperaturdifferenz-Betrag ΔT dem sicheren Bereich 13 des Kennfelds KF zugeordnet ist. Falls der Vergleich ergibt, dass das Wertepaar WP dem sicheren Bereich 13 zugeordnet ist, wird die Soll-Heizleistung P_Soll nicht reduziert.
Unabhängig vom Ergebnis des Vergleichs wird das Verfahren mit Maßnahme b) fortgesetzt und eine zweite Iteration des Verfahrens gestartet. Das hier beispielhaft erläuterte Verfahren wird also zumindest einmal wiederholt und somit iterativ durchgeführt.
Zweckmäßig wird das zweidimensionale Kennfeld KF der 3 vorab bestimmt bzw. festgelegt, so dass es zur Durchführung der Maßnahmen a) bis e) des Verfahrens zur Verfügung steht. Es erweist sich als vorteilhaft, für verschiedene Bauformen der Heizeinrichtung 1 das Kennfeld KF individuell festzulegen. Zur Festlegung des Kennfelds KF für eine bestimmte Bauform der Heizeinrichtung 1 kann ein dem Verfahren gemäß den Maßnahmen a) bis e) vorgeschaltetes und dieses ergänzendes Vorverfahren durchgeführt werden. Prinzipiell ist es ausreichend, das Vorverfahren für jede Bauform der Heizeinrichtung 1 einmalig durchzuführen und das Auf diese Weise bestimmte Kennfeld KF für alle hergestellten Exemplare dieser Bauform zu verwenden, wenn das erfindungsgemäßen Verfahren in diesen Exemplaren durchgeführt wird.
Zur Festlegung des Kennfelds KF werden im Zuge des Vorverfahrens die beiden Temperaturen jeweils an mehreren Positions-Paaren PP aus den beiden Positionen P₁ , P₂ gemessen, wobei an jedem Positions-Paar PP die Heizleistung P_Heiz variiert und der Temperaturdifferenz-Betrag ΔT bestimmt wird, so dass für jedes Positions-Paar PP eine Vielzahl von Werte-Paaren aus Heizleistung P_Heiz und Temperaturdifferenz-Betrag ΔT ermittelt wird. Für jedes Positions-Paar PP und für jedes Werte-Paar WP aus Heizleistung P_Heiz und Temperaturdifferenz-Betrag ΔT wird festgelegt, ob das Werte-Paar WP dem unsicheren Bereich 12 oder dem sicheren Bereich 13 des Kennfelds KF zugeordnet wird.
Die Zuordnung zum unsicheren bzw. sicheren Bereich 12, 13 erfolgt im Zuge des Vorabverfahrens durch Überprüfung eines oder mehrerer Betriebsparameter der Heizeinrichtung 1. Dieser Betriebsparameter kann beispielsweise eine in der Heizeinrichtung 1 gemessene, maximal auftretende Temperatur sein, die für verschiedene Heizleistungen P_Heiz an verschiedenen Positionspaaren PP in der Heizeinrichtung 1 bestimmt wird. Auf diese Weise kann das Kennfeld KF für unterschiedliche Bauformen der Heizeinrichtung 1 individuell festgelegt werden.
Die 4 zeigt eine Variante des Beispiels der 1. Im Beispiel der 4 sind die beiden Temperatursensoren 8a, 8b wie im Beispiel der 1 entlang der Hauptdurchströmungsrichtung H angeordnet. Bezüglich einer Querrichtung Q, die senkrecht zur Hauptdurchströmungsrichtung H verläuft, sind die beiden Temperatursensoren 8a, 8b jedoch nicht zentriert im Luftpfad 2 angeordnet. Stattdessen die beiden Temperatursensoren 8a, 8b gegenüber einer sich entlang der Hauptdurchströmungsrichtung H erstreckenden Symmetrieachse S, bezüglich welcher die beiden Heizelemente 5a, 5b achsensymmetrisch zueinander angeordnet sind, um einen entlang der Querrichtung Q gemessenen Abstand a versetzt zueinander angeordnet.
Denkbar ist, dass die beiden Temperatursensoren 8a, 8b bzw. deren Positionen P1, P2 beide in der Querrichtung Q oder beide entgegengesetzt zur Querrichtung Q versetzt zur Symmetrieachse S angeordnet sind. Alternativ dazu können der Temperatursensor 8a - wie im Beispiel der 5 gezeigt - an der Position P1 entgegengesetzt zur Querrichtung Q und der Temperatursensor 8b an der Position P2 in der Querrichtung Q um den Abstand a versetzt zur Hauptdurchströmungsrichtung H bzw. Symmetrieachse S angeordnet sein. Somit ergibt sich eine diagonale Anordnung der beiden Temperatursensoren 8a, 8b an ihren Positionen P1, P2, bei welcher die beiden Temperatursensoren 8a, 8b bzw. Positionen entlang einer virtuellen Geraden 21, die unter einem spitzen Winkel α zur Hauptdurchströmungsrichtung H bzw. zur Symmetrieachse S verläuft, im Abstand zueinander angeordnet sind.
In der Variante der 6 sind zwei elektrische Heizelemente 5a, 5b vorgesehen, die in analoger Weise zum Beispiel der 4 und 5 entlang der Querrichtung Q, die senkrecht zur Hauptdurchströmungsrichtung H verläuft, im Abstand zueinander angeordnet sind und den Luftpfad 2a bzw. den Luftpfadabschnitt 19 in der Querrichtung Q begrenzen. Im Beispiel der 6 sind die beiden Temperatursensoren 8a, 8b bzw. ihre Positionen P1, P2 beide am zweiten Heizelement 5b angeordnet, und zwar an zwei Stirnseiten 20a, 20b, die einander in der Hauptdurchströmungsrichtung H gegenüberliegen.
Die Heizeinrichtung 1 kann in einer in den Figuren nicht dargestellten Weiterbildung zwei oder mehr Luftpfade 2 mit jeweils einem ersten und einem zweiten Temperatursensor 8a, 8b aufweisen, so dass das erfindungsgemäße Verfahren für jeden der zumindest zwei Luftpfade unabhängig voneinander ausgeführt werden kann. Die vorhandenen Luftpfade können fluidisch parallel oder in Reihe zueinander angeordnet sein. Diese Weiterbildung kann mit den vorangehend erläuterten Varianten bzw. Beispielen, soweit sinnvoll, kombiniert werden.

Claims

Betriebsverfahren einer elektrischen Heizeinrichtung (1) zum Beheizen von Luft (L), insbesondere in einer Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs, umfassend die folgenden Maßnahmen: a) Einstellen einer zu erbringenden Soll-Heizleistung (P_Soll) in der Heizeinrichtung (1) und Aktivieren der Heizeinrichtung (1), so dass diese Heizleistung erzeugt; b) Bestimmen einer ersten Temperatur (T₁) und einer zweiten Temperatur (T₂) an zwei voneinander verschiedenen Positionen (P₁, P₂) in der Heizeinrichtung (1) und Ermitteln einer Vergleichstemperatur (T_V) aus den beiden Temperaturen (T₁, T₂); c) Falls die in Maßnahme b) ermittelte Vergleichstemperatur (T_V) einen vorgegebenen Temperatur-Schwellwert (T_S) überschreitet: Deaktivieren der Heizeinrichtung (1) und Beenden des Verfahrens; andernfalls Fortsetzen des Verfahrens ohne Deaktivierung der Heizeinrichtung (1), vorzugsweise mit Maßnahme d); d) Bereitstellen eines zweidimensionalen Kennfeld (KF) mit der Soll-Heizleistung (P_Soll) als Ordinate (14) und dem Temperaturdifferenz-Betrag (ΔT) als Abszisse (15), oder umgekehrt, derart, dass jedem Wertepaar (WP) aus Soll-Heizleistung (P_Soll) und Vergleichstemperatur (T_V) entweder einem unsicheren Bereich (12) oder einem sicheren Bereich (13) des zweidimensionalen Kennfelds (KF) zugeordnet ist oder zugeordnet werden kann; e) Vergleich des Wertepaars (WP) aus der in Maßnahme a) eingestellten Soll-Heizleistung (P_Soll) und aus dem in Maßnahme c) ermittelten Vergleichstemperatur (T_V) mit dem in Maßnahme d) bereitgestellten Kennfeld (KF), und, falls dieser Vergleich ergibt, dass das Wertepaar dem unsicheren Bereich (12) zugeordnet ist: Reduzieren der Soll-Heizleistung (P_Soll) derart, dass das sich ergebende neue Wertepaar (WP) aus der reduzierten Soll-Heizleistung (P_Soll) und aus der in Maßnahme c) ermittelten Vergleichstemperatur (T_V) dem sicheren Bereich (13) des Kennfelds (KF) zugeordnet ist;
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Maßnahme b) ermittelte Vergleichstemperatur (T_V) Betrag (ΔT= | T₁-T₂ |) einer Differenz der beiden Temperaturen (T₁, T₂) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführung von Maßnahme e) das Verfahren mit Maßnahme b) fortgesetzt wird, so dass das Verfahren wird iterativ mit mindestens zwei Iterationen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahmen b) bis d) iterativ durchgeführt werden, solange, bis dass Verfahren gemäß Maßnahme c) beendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Maßnahme c) zusätzlich die Temperatur (T_Zusatz) an einem Luftauslass (4) der Heizeinrichtung (1) ermittelt wird und die Heizeinrichtung (1) deaktiviert und das Verfahren beendet wird, falls der ermittelte Temperaturwert einen vorbestimmten kritischen Wert (T_{Zusatz_kritisch}) überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (KF) wenigstens einen unsicheren Bereich (12), vorzugsweise wenigstens zwei unsichere Bereiche (12), und wenigstens einem sicheren Bereich (13), vorzugsweise wenigstens zwei unsichere Bereiche (13), aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das zweidimensionale Kennfeld (KF) vorab festgelegt wird, so dass es zur Durchführung der Maßnahmen a) bis e) bereits zur Verfügung steht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - zur Festlegung des Kennfelds (KF) die beiden Temperaturen (T₁, T₂) jeweils an mehreren Positions-Paaren (PP) gemessen werden, wobei an jedem Positions-Paar (PP) die Heizleistung (P_Heiz) variiert und Vergleichstemperatur (T_V) bestimmt wird, so dass für jedes Positionspaar (PP) eine Vielzahl von Werte-Paaren (WP) aus Heizleistung (P_Heiz) und Vergleichstemperatur (T_V) ermittelt wird, - für jedes Positions-Paar (PP) und für jedes Werte-Paar (WP) aus Soll-Heizleistung und Vergleichstemperatur (T_V) festgelegt wird, ob das Werte-Paar (WP) dem unsicheren Bereich (12) oder dem unsicheren Bereich (13) des Kennfelds (KF) zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung zum unsicheren oder sicheren Bereich (12, 13) durch Überprüfung wenigstens eines Betriebsparameters der Heizeinrichtung (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Betriebsparameter eine in der Heizeinrichtung (1) gemessene maximal auftretende und gemessene Temperatur ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (KF) vor Durchführung der Maßnahmen b) bis e) in einer das Verfahren durchführenden Steuerungs-/Regelungseinrichtung (7) gespeichert wird.
Elektrische Heizeinrichtung (1) für eine Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeug, - mit wenigstens einem Luftpfad (2) zum Durchströmen mit Luft (L), - mit wenigstens einem im Luftpfad (2) angeordneten elektrischen Heizelement (5a, 5b) zum Erwärmen der durch den Luftpfad (2) strömenden Luft (L), - mit einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung (7), die zum Steuern/Regeln einer von dem wenigstens einen elektrischen Heizelement (5a, 5b) erzeugten Heizleistung (P_Heiz) und zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet/programmiert ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung einen ersten und zweiten Temperatursensor (8a, 8b) umfasst, die zum Bestimmen der ersten bzw. zweiten Temperatur (T₁, T₂) eingerichtet sind und hierzu an zwei unterschiedlichen Positionen (P₁, P₂) im Luftpfad (2) angeordnet sind.
Heizeinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass - der wenigstens eine Luftpfad (2) der Heizeinrichtung von einem Lufteinlass (3) zu einem Luftauslass (4) führt, - ein zusätzlicher Temperatursensor (18) zum Bestimmen der Temperatur (T_Zu-_satz) am Luftauslass (4) eingerichtet und hierfür an diesem angeordnet ist.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung zumindest zwei Luftpfade (2) mit jeweils einem ersten und einem zweiten Temperatursensor (8a, 8b) aufweist, so dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für jeden der zumindest zwei Luftpfade (2) unabhängig voneinander ausgeführt wird oder zumindest ausgeführt werden kann.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass - sich der Luftpfad in zumindest einem Luftpfadabschnitt (19) geradlinig entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung (H) erstreckt, - die beiden Temperatursensoren (8a, 8b) entlang der Hauptdurchströmungsrichtung (H) oder senkrecht zur Hauptdurchströmungsrichtung (H) oder entlang einer virtuellen Geraden (21), die unter einem spitzen Winkel (α) zur Hauptdurchströmungsrichtung (H) verläuft, im Abstand zueinander angeordnet sind.
Heizeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwei elektrische Heizelemente (5a, 5b) vorgesehen sind, die quer zur Hauptdurchströmungsrichtung (H) im Abstand zueinander angeordnet sind und den Luftpfad (2) quer zur Hauptdurchströmungsrichtung (H) begrenzen.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (KF) für eine bestimmte Bauform der Heizeinrichtung (1) individuell festgelegt ist.