DE3509073C2 - Elektrische Heizung, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizung gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Betrachtet man die Verhältnisse beim Heizen des Innenraums eines Kraftfahrzeugs, wofür die Erfindung bevorzugt Einsatz finden soll, so ergeben sich besondere Schwierigkeiten gerade dann, wenn eine wirksame Heizung erforderlich ist, nämlich beim Starten der Maschine des Fahrzeugs bei kalter Witterung. Übliche Heizungen von Kraftfahrzeugen sehen nämlich eine Ausnutzung der Wärme der Abgase bzw. des Kühlmittels der Maschine vor; diese Wärme ist aber während des Startens und einige Zeit danach sehr beschränkt. Es ist daher auch bekannt, selbständige Zusatz­ heizungen mit einem Brenner einzusetzen, der Kraftstoff verbraucht.

Bekannt sind schließlich Zusatzheizungen zum schnellen Aufheizen, die nur bis zum Erreichen einer bestimmten Temperatur des aufzuheizenden Raumes bzw. des Kühl­ mittels der Maschine oder dergleichen wirksam sind und ihre Energie dem Bordnetz des Fahrzeugs entnehmen. Bei diesen elektrischen Zusatzheizungen treten aber inso­ fern Schwierigkeiten auf, als diese ihre Energie nicht der Batterie des Fahrzeugs entnehmen dürfen, deren Speichervermögen ohnehin in der kalten Jahreszeit verrin­ gert ist.

Bei einer aus der US-PS 4 188 527 bekannten elek­ trischen Zusatzheizung liegt zumindest ein elektrischer Heiz­ widerstand zwischen der Ausgangsklemme des Generators einerseits und der Batterie sowie den üblichen Verbrauchern des Fahrzeugs, wie Zündeinrichtung, Startermotor usw., andererseits, d. h. in Reihe mit diesen Verbrauchern, so daß er von dem jeweils vom Generator abgegebenen Generatorstrom durchflossen ist. Parallel zu diesem Heizwiderstand liegt ein mittels eines Relaiskontakts dann geschlossener widerstandsarmer Bypass, wenn der zu heizende Raum eine vorgegebene Temperatur erreicht hat und/oder die Be­ lastung des Generators so groß geworden ist, daß zur Speisung des Heizwiderstands die Batterie dienen muß und ihre Spannung unter einen vorgegebenen Wert abgesunken ist.

Bei dieser bekannten elektrischen Heizung ist infolge der beschriebenen Reihen­ schaltung von Heizwiderstand und Verbrauchern der den Heizwider­ stand durchfließende Strom und damit die Heizleistung abhängig von dem jeweiligen Generatorstrom, d. h. den jeweils eingeschal­ teten Verbrauchern. Auch erfolgt die Durchschaltung des erwähn­ ten widerstandsarmen Bypasses und damit die Entlastung der Batterie erst dann, wenn die Batteriespannung bereits abzusinken beginnt. Weiterhin spricht die Entgegenhaltung zwar von einer Anpassung zwischen der vom Generator abgegebenen Leistung einer­ seits und der Belastung desselben andererseits, sieht aber in diesem Zusammenhang bezüglich der elektrischen Heizung nur eine vollständige Ein- oder Ausschaltung derselben vor, so daß die vom Generator abgegebene Leistung zwar noch erheblich höher als die von den übrigen Verbrauchern aufgenommene sein mag, aber dennoch bereits die elektrische Heizung vollständig abgeschaltet wird.

Die aus der gattungsbildenden DE-OS 16 30 963 be­ kannte Anordnung zum Betrieb von elektrischen Verbrauchern, beispielsweise Heizelementen in einer Heckscheibe eines Kraft­ fahrzeugs, verhält sich insofern günstiger, als im Beispiel zwei Heizelemente individuell in einen Stromkreis eingeschaltet werden. Auch hier erfolgt jedoch die Ein- bzw. Ausschaltung eines der Heizelemente in Abhängigkeit von der Höhe der demgemäß überwachten Batteriespannung, so daß wiederum keine Regelung bzw. Steuerung allein im Hinblick auf eine bessere Ausnutzung der vom Generator zur Verfügung gestellten Energie erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Heizung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die insbesondere als Zusatzheizung für Kraftfahrzeuge Einsatz finden kann und die Möglichkeit bie­ tet, ohne Belastung der Batterie eine bessere Ausnutzung des Leistungsüberschusses des Generators für elektrische Heizzwecke zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen beschreiben die Unteransprüche.

Zur Abrundung des Stands der Technik sei in diesem Zusammenhang noch auf die DE-OS 27 06 130 verwiesen, die eine Wähleinrichtung für eine Mehr­ spannungsheizung von Fahrzeugen betrifft. Diese bekannte Heizung weist mehrere gruppenweise betriebene Heizwiderstände auf. Die anstehende Betriebsspannung wird nach Spannungshöhe und Frequenz in Digitalimpulse umgesetzt, die einer program­ mierbaren Logik zugeführt werden, die ihrerseits in Abhängigkeit von den aufge­ nommenen Impulsen die Umgruppierung der Heizwiderstände durchführende Schalt­ elemente auslöst. Hier geht es also nicht um die individuelle Ein- bzw. Abschaltung von Heizwiderständen in Abhängigkeit vom Leistungsüberschuß eines Generators unter Vermeidung der Entladung einer Batterie, sondern um die Berücksichtigung der Tatsache, daß beispielsweise im internationalen Eisenbahnverkehr unterschied­ liche Spannungen und Frequenzen angeboten werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild und

Fig. 2 den Verlauf verschiedener Spannungen bzw. Signale über dem Generatorstrom.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so ist an den Erregerwicklungsanschluß DF (Aus­ gang des Reglers R) des Drehstromgenerators 1 der Begrenzer 2 angeschaltet. Die Verbraucher sind zusammengefaßt bei V angedeutet. Als Parameter des Erregerstroms wird die Einschaltzeit desselben ausgenutzt, die proportional der jeweiligen Last des Generators ist. Die entsprechende Impulsspan­ nung wird dem Begrenzer 2 zugeführt, der dieses Signal von Spannungsschwankungen unabhängig macht. Das begrenzte Signal gelangt in den Tiefpaß 3, in dem aus der Impulsspannung eine der Last umgekehrt proportionale Gleichspannung gewonnen wird. Die Höhe dieser Spannung wird in dem Bereichsdiskriminator 4 bewertet, dem das Schieberegister 5 nachgeschaltet ist. Der Diskriminator 4 definiert mit zwei Steuersignalen SL und SR, die auf unterschiedlichen, mit dem Schieberegister 5 ver­ bundenen Steuerleitungen erscheinen, einen definierten Bereich für Werte der Span­ nung und damit der jeweiligen Last des Generators 1. In Abhängigkeit von den Signalen SL und SR wird die Schieberichtung des in diesem Ausführungsbeispiel vier­ stufigen Schieberegisters 5 beim Auffüllen entsprechend den Taktimpulsen des Takt­ gebers 6 so gesteuert, daß infolge Einschaltung einer bestimmten Anzahl der Heiz­ widerstände 7, 8, 9 und 10 sich eine resultierende "Last" des Generators 1 ergibt, die innerhalb des erwähnten Bereichs liegt.

Zur Vervollständigung der Beschreibung des Schieberegisters 5 sei ergänzt, daß in dieses über Anschluß DL "0" eingelesen wird, während über Anschluß DR "1" einge­ lesen wird.

An die einzelnen Stufen des Schieberegisters 5 sind vier Relais 11, 12, 13 und 14 angeschlossen, die an der positiven Klemme +U_B der Fahrzeugbatterie liegen. Jedes dieser Relais besitzt einen beweglichen Kontakt 11′, 12′, 13′ bzw. 14′ zwischen der Batterieklemme +U_B einerseits und einem der Heizwiderstände 7 bis 10 anderer­ seits.

Die Anordnung ist also so getroffen, daß in Abhängigkeit von der jeweiligen Last des Generators 1, für die die Spannung ein Maß ist, über das Schieberegister 5 eine solche Anzahl der - gegebenenfalls unterschiedlich ausgelegten - Heizwider­ stände 7, 8, 9 und 10 an Batteriespannung gelegt wird, daß die Spannung in den durch den Bereichsdiskriminator 4 definierten Bereich gelangt.

Im obersten Diagramm der Fig. 2 ist der Zusammenhang zwischen der Gleichspan­ nung und dem Generatorstrom I angedeutet. Die Werte der Spannung , die Grenzen des vom Diskriminator 4 definierten Bereich darstellen, sind mit S_o und S_u bezeichnet; zu ihnen gehören die Generatorströme I1 und I2. Der untere Grenzwert S_u ist so gewählt, daß der zugehörige Strom I2 von dem maximalen Generatorstrom I_max einen Abstand G besitzt, der dem Leistungsbedarf der Grundlast des Generators entspricht. Soll also die Batterie durch die Heizung nicht belastet werden, muß dafür gesorgt werden, daß sich eine Spannung einstellt, die im obersten Diagramm oberhalb des unteren Grenzwerts S_u liegt.

Der Bereichsdiskriminator 4 arbeitet so, daß er, wenn die Spannung ansteigt, beim Erreichen des unteren Grenzwerts S_u das Signal SR von "0" auf "1" umschaltet. Wenn die Spannung die obere Bereichsgrenze S_o überschreitet, schaltet der Diskri­ minator 4 das Signal SL von "1" auf "0". Da die Signale SL und SR, wie bereits bemerkt, die Schieberichtung des Schieberegisters 5, also das Einlesen von "0" über DL und von "1" über DR, steuern, wird das Schieberegister 5 entsprechend diesen Signalen mit jedem vom Taktgeber 6 abgegebenen Taktimpuls mit einer "1" oder "0" aufgefüllt. Die Ausgänge des Schieberegisters wiederum steuern nun die einzelnen Relais 11 bis 14 an und aktivieren demgemäß die Heizwiderstände 7 bis 10.

Betrachtet man nun nochmals Fig. 2, in der auch der Verlauf der Signale SR und SL über den Generatorstrom I angegeben ist, und geht man davon aus, daß der Genera­ tor 1 durch eingeschaltete Verbraucher und den Batterieladestrom eine mittlere Be­ lastung habe, also der Mittelwert der Spannung oberhalb der oberen Grenze S_o liegt, so bedingt der "0"-Zustand des Signals SL, daß die erste Stufe des Schiebere­ gisters 5 beim nächsten Taktimpuls auf "1" geschaltet wird. Dadurch wird der Heiz­ widerstand 10 an die Batteriespannung gelegt, die Last des Generators steigt, und demzufolge fällt die Spannung . Liegt diese Spannung immer noch oberhalb der oberen Bereichsgrenze S_o (siehe Fig. 2), wird in einem zweiten Schritt der Heizwi­ derstand 9 zugeschaltet; diese Abgleichvorgänge, d. h. das Zuschalten weiterer Heiz­ widerstände, werden fortgesetzt, bis schließlich der Wert der Spannung in den Bereich (Fenster) des Diskriminators zwischen den Spannungswerten S_u und S_o fällt.

Wird nun ein Verbraucher des mit der Heizeinrichtung ausgerüsteten Fahrzeugs ein­ geschaltet, so kann die Generatorbelastung so groß werden, daß die Spannung unter die untere Bereichsgrenze S_u fällt. Dann ist gemäß dem obersten Diagramm der Fig. 2 die Gefahr gegeben, daß zur Deckung des resultierenden Leistungsbe­ darfs auf die in der Batterie gespeicherte Leistung zurückgegriffen werden muß, d. h. gegebenenfalls die Batteriespannung absinkt. Um dies zu vermeiden, wird jetzt, gesteuert durch den "0"-Zustand des Signals SR, der Schieberegister schritt­ weise in Fig. 1 von oben nach unten geschoben und vom Anschluß DL her mit "o"-Signalen aufgefüllt, d. h. Heizwiderstände abgeschaltet, bis schließlich wieder in den Diskriminatorbereich fällt.

Wie aus dieser Erläuterung folgt, ist die Bereichsgrenze S_u so zu legen, daß mit Sicherheit die Grundlast G zum Betrieb des Fahrzeugs nicht zu Heizzwecken zur Verfügung steht. Die Größe des Bereichs, d. h. der Abstand zwischen den Grenzen S_o und S_u, muß so gewählt werden, daß einer der beschriebenen Abgleichvorgänge in diesem Bereich endet, also durch das Zu- oder Abschalten eines Heizwiderstands der Bereich nicht übersprungen werden kann.

Verständlicherweise können zusätzliche Funktionen aufgeschaltet werden, beispiels­ weise kann ein in Fig. 1 bis 15 angedeuteter, nach dem Warmlauf des Fahrzeugs schließender Schalter auf den Reset-Eingang R des Schieberegisters 5 gelegt sein, der nach Erreichen der Motorbetriebstemperatur alle Stufen des Schieberegisters 5 in die 0-Lage bringt und dadurch alle Heizwiderstände 7 bis 10 von der Batterie­ spannung abschaltet.

Claims (3)

1. Elektrische Heizung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit Heizwiderständen und Schaltmitteln zum individuellen Einschalten derselben in ein Stromversorgungsnetz, das eine Batterie sowie einen diesen ladenden Generator enthält, der einen Erregerstrom mit einem von der Generatorlast abhängigen Parameter führt und mit einer auf die Schaltmittel wirkenden Einrichtung zum Verhindern einer unerwünschten, auf die Heizwiderstände zurückzuführenden Entladung der Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (11, 12, 13, 14) über ein Schieberegister (5) angesteuert werden, dem Steuersignale (SL, SR) aus einem Bereichsdiskriminator (4) zugeleitet werden, der für eine aus der Einschaltzeit des Erregerstroms abgeleitete, der jeweiligen Last des Generators umgekehrt proportionale Größe () mit einer oberen Bereichsgrenze (s_o) sowie einer unteren Bereichsgrenze (s_u) derart ausgelegt ist, daß die Schaltmittel (11, 12, 13, 14) die Anzahl der an die Batteriespannung gelegten Heizwiderstände (7, 8, 9, 10) vergrößern, wenn die abgeleitete Größe () oberhalb der oberen Bereichgrenze (s_o) liegt und verkleinern, wenn die abgeleitete Größe () unter die untere Bereichsgrenze (s_u) fällt, die so gewählt ist, daß der zugehörige Generatorstrom (I₂) von dem maximalen Generatorstrom (I_max) einen Abstand (G) hat, der dem Leistungsbedarf der Grundlast des Generators zum Betrieb des Fahrzeugs entspricht und daß der Abstand zwischen den Bereichsgrenzen (s_o, s_u) so gewählt ist, daß durch das Zu- und Abschalten eines Heizwiderstands (7, 8, 9, 10) der Bereich zwischen den Bereichsgrenzen (s_o, s_u) nicht übersprungen werden kann.

2. Heizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Einschaltzeit mittels eines Tiefpasses (3) eine ihr umgekehrt proportionale Gleichspannung () abgeleitet wird.

3. Heizung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Tiefpaß (3) ein Begrenzer (2) zum Unterdrücken von Spannungsschwankungen vorgeschaltet ist.