DE112014004829T5 - Fahrzeugheizsystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugheizsystem, das ein Heizelement und eine Energiequelle zur Bereitstellung von elektrischer Energie an das Heizelement umfasst. Das Fahrzeugheizsystem umfasst ferner ein Steuergerät, welches mit der Energiequelle und/oder dem Heizelement wirkgekoppelt ist. Das Steuergerät ist daran angepasst, die elektrische Energie zu regeln, die dem Heizelement im Zeitablauf zuzuführen ist, und das Steuergerät ist derart konfiguriert, dass es die elektrische Energie regelt, indem es eine dem Heizelement im Zeitablauf zugeführte Gleichspannungsversorgung UVersorgung modifiziert. Die durch das Heizelement bereitgestellte Wärme steht vorzugsweise in einem linearen Verhältnis zu der Gleichspannungsversorgung UVersorgung, die der Heizung zugeführt wird.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Fahrzeugheizsystem. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Fahrzeugheizsystem, das durch eine von einem Steuergerät bereitgestellte Gleichspannungsversorgung (DC voltage supply) gesteuert wird.
• Technischer Hintergrund
• Die Ansteuerung von Heizelementen wie beispielsweise Sitzheizungselementen mit pulsweitenmodulierten Strömen (PWM-Strömen) ist in der heutigen Automobilindustrie ein Standard. Heizelemente, insbesondere Sitzheizungen, werden in Bezug auf den Impulsstrom „ein-“ oder „ausgeschaltet“, der dem Heizelement durch das Steuergerät zugeführt wird. Das Steuergerät umfasst am häufigsten einen Halbleiterschalter, der mit einer vordefinierten Schalthäufigkeit zwischen dem eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand umschaltet. Je länger die Weite des Impulses oder je häufiger (in einem eingestellten Zeitintervall) die Amplitude des PWM-Stroms bereitgestellt wird, desto mehr elektrische Energie wird dem Heizelement durchschnittlich zugeführt und desto mehr Wärme wird demzufolge erzeugt. Ein Nachteil von pulsweitenmodulierten Signalen ist die Erzeugung von Hochfrequenzwellen wegen des schnellen Umschaltens zwischen dem eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand. Die DE-Patentanmeldung DE 10 2008 022 048 A1 offenbart ein Verfahren zur Bildung eines langsameren Anstiegs des Heizstroms zur Erzeugung von weniger hochfrequenten Wellen, die weniger elektromagnetische Wechselfelder erzeugen. Sogar dann, wenn die Stärke solcher elektromagnetischer Wechselfelder durch das in der Patentanmeldung DE 10 2008 022 048 A1 beschriebene Verfahren niedrig gehalten werden kann, werden Heizungen, die durch pulsweitenmodulierte Ströme angesteuert werden, dennoch durch andere Probleme beeinträchtigt.
• Insbesondere ist die Beziehung zwischen der Amplitude des pulsweitenmodulierten Stroms, der Spannung des pulsweitenmodulierten Signals und dem Widerstand des Heizelements bei Fahrzeugsystemen mit einer Niederspannungsenergiequelle problematisch. Am häufigsten haben Fahrzeuge Niederspannungsbatterien (z. B. 12-V-Batterien), die niederohmige Heizungen zur Bereitstellung der benötigten Energie erforderlich machen. Dies bedeutet Hochstromimpulse und somit dicke Verbinder, eine dicke Verkabelung und im Falle von aufgedruckten Heizungen viel Silbertinte, um die hohe Stromdichte aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus kann der zur Ansteuerung der Heizung erforderliche hohe Strom verhindern, dass das Energiemanagementsystem andere Lasten ansteuert, die in Parallelschaltung mit der Heizung an das Energiemanagementsystem angeschlossen sind. Beispielsweise ist das Energiemanagementsystem in der Sitzumgebung meist nicht leistungsstark genug, um die Motoren für die Sitzpositionierung und die Sitzheizung gleichzeitig anzusteuern. Demzufolge muss die Sitzheizung während der Sitzpositionierung ausgeschaltet werden. Obwohl die Pulsweitenmodulation ein praktischer Weg zur Speisung von Fahrzeugheizsystemen ist, besteht nach wie vor Bedarf an der Bereitstellung optimierter Fahrzeugheizsysteme, bei denen die Quantität und die Qualität der benötigten Materialien reduziert werden kann und bei denen andere elektrische Lasten, die an das Energiemanagementsystem angeschlossen sind, gleichzeitig angesteuert werden können.
• Technisches Problem
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optimiertes Fahrzeugheizsystem vorzugsweise mit reduziertem Kostenaufwand bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beanspruchte Erfindung gelöst.
• Allgemeine Beschreibung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugheizsystem, das ein Heizelement und eine Energiequelle zur Bereitstellung von elektrischer Energie an das Heizelement umfasst, das vorzugsweise eine folienbasierte Sitzheizung ist. Das Fahrzeugheizsystem umfasst darüber hinaus ein Steuergerät, das mit der Energiequelle und/oder dem Heizelement wirkgekoppelt ist. Das Steuergerät ist daran angepasst, die elektrische Energie zu regeln, die dem Heizelement im Zeitablauf zuzuführen ist. Erfindungsgemäß ist das Steuergerät derart konfiguriert, dass es die elektrische Energie regelt, indem es eine dem Heizelement im Zeitablauf zugeführte Gleichspannungsversorgung U_Versorgung (DC voltage supply) modifiziert. Die durch das Heizelement bereitgestellte Wärme steht in einem definierten Verhältnis zu der der Heizung zugeführten Gleichspannungsversorgung U_Versorgung. Die gesamte Heizenergie kann durch Steuern der Spannung mit dem Steuergerät ohne die oben beschriebenen negativen Nebenwirkungen der Pulsweitenmodulation effizient geregelt werden.
• Die Energiequelle ist vorzugsweise eine Batterie wie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, einen Lithium-Polymer-Batterie, eine Blei-Säure-Batterie, ein Drehstromgenerator oder ein Energieausgang eines ansteuernden ECU (elektrisches Steuergerät; electric control unit) mit einer Gleichspannung von ungefähr 12 V. Der durch die Batterie zur Verfügung gestellte Strom ist im Betrieb im Wesentlichen konstant im Zeitablauf.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Steuergerät einen Gleichstromwandler zum Empfangen eines Eingangsgleichstroms mit einer Eingangsgleichspannung U_Ein von der Energiequelle und zum Bereitstellen einer Ausgangsgleichstromversorgung mit einer Ausgangsgleichspannungsversorgung U_Versorgung zu dem Heizelement zur Speisung des Heizelements.
• Für den Betrieb mit hoher Energie, d. h., wenn eine hohe Heizenergie erforderlich ist, wandelt der Gleichstromwandler vorteilhafterweise die Eingangsgleichspannung U_Ein derart in die Ausgangsgleichspannungsversorgung U_Versorgung um, dass U_Versorgung > U_Ein ist. Dank der höheren Ausgangsgleichspannung kann der Strom effizient reduziert werden, der dem Heizelement bereitzustellen ist, um eine definierte Heizenergie zu erzielen. Dies ermöglicht beispielsweise die Verwendung von zweckbestimmten Heizungsbauformen. Es werden vorzugsweise hochohmige Heizungen und Leiter wie zum Beispiel folienbasierte aufgedruckte Heizungen mit reduzierter Silbertintenmenge verwendet. Alternativ dazu kann man folienbasierte Heizungen mit Kohlenstofftinte benutzen.
• Des Weiteren kann ein Verbinder des Heizelements für den Anschluss des Heizelements an das Steuergerät einen kleineren Querschnitt aufweisen. Folglich wird weniger Kupfer-, Messing- oder anderes leitfähiges Material verwendet. Das Gehäuse des Steuergeräts kann kleiner dimensioniert werden und es ist weniger Material erforderlich, was zu niedrigeren Kosten führt. Die Verkabelung vom Steuergerät zum Heizelement kann darüber hinaus dünner sein und ist daher kostengünstiger und flexibler. Da der Heizung und dem Energiesystem des Fahrzeugs lediglich zwei Spitzenströme zugeführt werden, können schließlich verschiedene Komponenten wie beispielsweise der Drehstromgenerator und der Kabelbaum kostengünstiger dimensioniert werden. Ferner wird das Gewicht des Fahrzeugs verringert, weil die Größe verschiedener elektrischer Komponenten kleiner bemessen werden kann.
• Es versteht sich für den Fachmann, dass, wenn eine geringere Heizenergie erforderlich ist, der Gleichstromwandler vorzugsweise so gesteuert wird, dass er die Eingangsgleichspannung U_Ein derart in die Ausgangsgleichspannungsversorgung U_Versorgung umwandelt, dass U_Versorgung < U_Ein oder U_Versorgung = U_Ein ist.
• Das Steuergerät umfasst vorzugsweise einen Mikrocontroller, der mit dem Gleichstromwandler wirkgekoppelt ist, um die Ausgangsgleichspannungsversorgung U_Versorgung zu regeln, die durch den Gleichstromwandler zugeführt wird.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Steuergerät mindestens eine Schnittstelle zum Empfangen einer Energiemanagementinformation von einer Energiemanagementeinheit. Die Energiemanagementeinheit kann mindestens eine Schnittstelle wie beispielsweise eine LIN-Schnittstelle (Local Interconnect Network) umfassen. Die mindestens eine LIN-Schnittstelle kann mit einer anderen LIN-Schnittstelle wie beispielsweise der LIN-Schnittstelle eines ECU wirkgekoppelt werden. Die LIN-Schnittstelle der Energiemanagementeinheit ist bei dieser bevorzugten Ausgestaltung an eine LIN-Schnittstelle des Mikrocontrollers gekoppelt.
• Vorteilhafterweise ist mindestens ein Temperatursensor mit der Energiemanagementeinheit wirkverbunden, um eine Umgebungsbedingungsinformation wie zum Beispiel die Lufttemperatur T_Luft im Fahrzeug bereitzustellen.
• Die Energiemanagementeinheit empfängt vorzugsweise eine Energiemanagementinformation aus der Eingabeinformation. Der Begriff „Eingabeinformation“ bezieht sich auf jede Eingabe, die durch einen Benutzer bereitgestellt wird. Ein Temperaturregler wie zum Beispiel ein Drehknopf oder ein Schalter kann mit der Energiemanagementeinheit wirkgekoppelt werden. Der Benutzer kann das Solltemperaturniveau eingeben, indem er den Temperaturregler einstellt. Demzufolge kann die Ausgangsspannungsversorgung U_Versorgung gemäß der Position des Niveaus oder der eingestellten Temperatur geregelt werden.
• Der Mikrocontroller regelt vorteilhafterweise die Ausgangsgleichspannungsversorgung U_Versorgung auf der Grundlage der Energiemanagementinformation.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Es wird nun eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
• 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugheizsystems.
• Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
• Das erfindungsgemäße Fahrzeugheizsystem 2 in 1 hat eine Energiequelle 4, die einen Gleichstrom (DC; direct current) mit einer elektrischen Energie P_Ein erzeugt. Die Energiequelle kann bei dieser besonderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine 12-V-Lithium-Ionen-Batterie, eine Lithium-Polymer-Batterie, eine Blei-Säure-Batterie oder ein Drehstromgenerator sein. Die elektrische Energie P_Ein mit einer Eingangsspannung U_Ein von 12 V und einem Eingangsstrom I_Ein wird einem Gleichstromwandler 8 eines Steuergeräts 6 zugeführt. Der Gleichstromwandler 8 gibt eine Ausgangsspannungsversorgung U_Versorgung zwischen 3 V und 40 V an die folienbasierte Sitzheizung 10 aus.
• Beim Betrieb mit hoher Energie, d. h., wenn eine hohe Heizenergie erforderlich ist, ist die Ausgangsspannungsversorgung U_Versorgung beispielsweise größer als die Spannung der Eingangsgleichspannung U_Ein. Andererseits kann beim Betrieb mit niedriger Energie, d. h., wenn eine niedrigere Heizenergie erforderlich ist, die Ausgangsspannungsversorgung U_Versorgung auf Werte eingestellt werden, die niedriger als die 12-V-Eingangsspannung U_Ein sind.
• Im Betrieb sind der Verlauf der Ausgangsspannungsversorgung U_Versorgung und der Verlauf des Versorgungsstroms I_Versorgung im Zeitablauf nicht gepulst, sondern vorzugsweise kontinuierlich. Im Vergleich zu der DE 10 2008 022 048 A1 wird für die Speisung der folienbasierten Sitzheizung keine PWM (Pulsweitenmodulation) verwendet. Die durch die folienbasierte Sitzheizung 10 erzeugte Wärmemenge ist durch die Größe der Ausgangsspannungsversorgung U_Versorgung bedingt. Die folienbasierte Sitzheizung 10 ist vorzugsweise eine hochohmige folienbasierte Heizung mit in Silbertinte aufgedruckten Leitern und einem Verbinder 9. Die folienbasierte Sitzheizung ist über den Verbinder 9 an die gedruckte Leiterplatte (PCB; printed circuit board) des Steuergeräts 6 angeschlossen. Die durch die folienbasierte Sitzheizung 10 erzeugte Temperatur T_Wärme ist durch die Ausgangsgleichspannungsversorgung U_Versorgung bedingt, die durch den Gleichstromwandler 8 bereitgestellt wird. Je höher die Ausgangsspannungsversorgung U_Versorgung des Ausgangsgleichstroms ist, desto mehr Wärme wird durch die folienbasierte Sitzheizung 10 erzeugt und desto höher steigt die Temperatur T_Wärme an. Die elektrische Energie des Eingangsgleichstroms P_Ein ist im Wesentlichen gleich der elektrischen Energie der Ausgangsgleichstromversorgung P_Versorgung. Demzufolge führt ein Anstieg der Spannung (U_Versorgung > U_Ein) zur Abnahme des Stroms (I_Versorgung < I_Ein). Die maximale Heiztemperatur T_Wärme kann gesteuert werden, indem eine Folienheizung mit einem PTC-Material (positiver Temperaturkoeffizient; positive temperature coefficient) als Heizelement verwendet wird. Bei PTC-Folienheizungen nimmt der Widerstand der Folienheizungen mit der Temperatur zu, bis eine Maximaltemperatur erreicht ist. Wenn eine konstante Spannung an das PTC-Material angelegt wird, steigt der Widerstand des Heizelements an und nimmt infolgedessen der Heizstrom ab. Die Maximaltemperatur kann somit durch eine PTC-Folienheizung begrenzt werden.
• Das Steuergerät umfasst einen Mikrocontroller 12, der mit dem Gleichstromwandler wirkgekoppelt ist, um die Ausgangsspannungsversorgung U_Versorgung zu regeln. Die Größe der Ausgangsspannung U_Versorgung basiert auf einer Energiemanagementinformation wie beispielsweise einer Umgebungsbedingungsinformation und einer Benutzereingabeinformation. Der Begriff „Umgebungsbedingungsinformation“ 26 bezieht sich auf jede Eingabe, die sich aus der Natur oder beliebigen messbaren externen und/oder internen physikalischen Größen im Innenraum oder an der Außenseite des Fahrzeugs ergibt. Bei dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich eine solche Umgebungsbedingungsinformation 26 aus der Lufttemperatur T_Luft, die von einem Temperatursensor gemessen wird, der mit dem Energiemanagement-Steuergerät wirkverbunden ist. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Energiemanagementeinheit mit dem ansteuernden ECU des Fahrzeugs verbunden werden, um eine zusätzliche Umgebungsbedingungsinformation 26 zu empfangen, die durch mit dem ansteuernden ECU wirkgekoppelte Sensoren zur Verfügung gestellt wird. Die Eingabeinformation 24 bezieht sich auf jede durch den Benutzer bereitgestellte Eingabe, also beispielsweise das Solltemperaturniveau T_Soll. Ein Temperaturregler 22 kann mit der Energiemanagementeinheit 14 wirkgekoppelt werden, um das Solltemperaturniveau einzugeben. Die Energiemanagementeinheit ist vorzugsweise über eine LIN-Verbindung (Local Interconnect Network) an die LIN-Schnittstelle 16 des Mikrocontrollers 12 angeschlossen.
• Darüber hinaus können infolge des linearen Verhältnissen zwischen der durch die folienbasierte Sitzheizung 10 erzeugten Wärme und der Ausgangsspannungsversorgung U_Versorgung andere elektrische Lasten wie beispielsweise Motoren für die Sitzpositionierung gleichzeitig mit der folienbasierten Sitzheizung 10 betrieben werden.
• Bezugszeichenliste

2

Fahrzeugheizsystem

4

Energiequelle

6

Steuergerät

8

Gleichstromwandler

9

Verbinder

10

Heizelement

12

Mikrocontroller

14

Energiemanagementeinheit

16, 18

LIN-Schnittstelle

20

Temperatursensor

22

Temperaturregler

24

Benutzereingabeinformation

26

Umgebungsbedingungsinformation

Claims (8)

1. Fahrzeugheizsystem umfassend: – ein Heizelement, – eine Energiequelle, um dem Heizelement elektrische Energie bereitzustellen, und – ein Steuergerät, das mit der Energiequelle und/oder dem Heizelement wirkgekoppelt ist, wobei das Steuergerät daran angepasst ist, die elektrische Energie zu regeln, die dem Heizelement im Zeitablauf zuzuführen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät derart konfiguriert ist, dass es die elektrische Energie regelt, indem es eine dem Heizelement im Zeitablauf zugeführte Gleichspannungsversorgung U_Versorgung modifiziert.
2. Fahrzeugheizsystem nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät einen Gleichstromwandler zum Empfangen eines Eingangsgleichstroms mit einer Eingangsgleichspannung U_Ein von der Energiequelle und zum Bereitstellen einer Ausgangsgleichstromversorgung mit einer Ausgangsgleichspannungsversorgung U_Versorgung zu dem Heizelement zur Speisung des Heizelements umfasst.
3. Fahrzeugheizsystem nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichstromwandler die Eingangsgleichspannung U_Ein derart in die Ausgangsgleichspannungsversorgung U_Versorgung umwandelt, dass U_Versorgung > U_Ein ist.
4. Fahrzeugheizsystem nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät einen Mikrocontroller umfasst, der mit dem Gleichstromwandler wirkgekoppelt ist, um die Ausgangsgleichspannungsversorgung U_Versorgung durch den Mikrocontroller zu regeln.
5. Fahrzeugheizsystem nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät mindestens eine Schnittstelle zum Empfangen einer Energiemanagementinformation von einer Energiemanagementeinheit umfasst.
6. Fahrzeugheizsystem nach Anspruch 5, wobei die Energiemanagementeinheit eine Energiemanagementinformation empfängt, die eine Umgebungsbedingungsinformation und/oder Benutzereingabeinformation umfasst.
7. Fahrzeugheizsystem nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 6, wobei der Mikrocontroller die Ausgangsgleichspannungsversorgung U_Versorgung basierend auf der Energiemanagementinformation regelt.
8. Fahrzeugheizsystem nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Heizelement eine folienbasierte Heizung und/oder eine aufgedruckte Heizung ist.

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