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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizung einer Kraftfahrzeugscheibe,
die die Bildung von Eis und Beschlag entfernt oder verhindert, und
insbesondere ein Verfahren zum Regulieren der an die Heizungen gelieferten
elektrischen Energie.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Viele
Kraftfahrzeuge sind mit elektrisch gespeisten Heizungen ausgerüstet, die
Beschlag und Eis von der Heckscheibe und in einigen Fällen von der
Frontscheibe (Windschutzscheibe) verhindern oder schnell entfernen.
Heckscheibenheizungen werden im Allgemeinen durch Bilden eines langen gewundenen
Leitermusters auf dem Glas gefertigt, während Frontscheibenheizungen
im Allgemeinen durch Abscheiden eines sehr dünnen Films aus einem leitenden
Material auf dem Glas gefertigt werden. In jedem Fall wird elektrischer
Strom an die Heizung geliefert, um in Ansprechen auf eine Aktivierung eines
von dem Lenker betätigten
Schalters eine Erwärmung
einzuleiten, und der Strom wird für ein vorbestimmtes Intervall
beibehalten, wonach die Heizung abgeschaltet wird, um Energie zu
sparen. Unter den meisten Bedingungen ist das Heizintervall ausreichend,
um Eis oder Beschlag zu entfernen, aber unter strengeren Bedingungen
kann es notwendig sein, dass der Lenker die Heizung erneut aktivieren muss,
um genügend
Erwärmung
zu erhalten.
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Obwohl
die meisten Heckscheibenheizungen relativ bescheidenen Energiebedarf
(300 W bis 400 W) aufweisen, weisen Frontscheibenheizungen typischerweise
einen viel höheren
Energieverbrauch (1000 W) auf und laden eine beträchtliche
Last auf eine gewöhnliche
elektrische Anlage eines Fahrzeugs, insbesondere bei Motorleerlaufbedingungen, wenn
die Leistung der Lichtmaschine relativ begrenzt ist. Tatsächlich kann
die kombinierte Strombelastung der Front- und Heckscheibenheizungen
die Betriebskapazität
der Lichtmaschine übersteigen
und den Akkumulator ernsthaft entladen.
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Die
vorstehend erwähnten
Nachteile können durch
den Einbau eines Feuchtigkeitssensors an der Front- und/oder Heckscheibe
und automatisches Aktivieren der jeweiligen Heizung nur dann, wenn
ein Beschlag oder Eis wirklich vorhanden ist, bis zu einem gewissen
Maß gemildert
werden. Auf diese Art und Weise offenbart die US-A-5 653 904 ein
System zum automatischen Aktivieren einer Heckscheibenheizung, wenn
Feuchtigkeit oder Tau auf der Heckscheibe detektiert wird, und zum
automatischen Aktivieren des Enfrostungsmodus der Fahrzeugheizung und
Klimaanlage, wenn Feuchtigkeit oder Tau auf der Frontscheibe detektiert
wird. Weitere Systeme wie in der US-A-3 934 111, der US-A-6 100
500, der EP-A-0 718
165 und der DE-A-195 40 566 offen gelegt schätzen das Potenzial für ein Beschlagen
auf der Grundlage eines Taupunktes und der Oberflächentemperatur
der Scheiben und aktivieren eine elektrische Scheibenheizung in
Beziehung zu dem Beschlagungspotenzial. Das Problem übermäßigen Stromverbrauches
kann jedoch noch immer auftreten, und es gibt keine Vorkehrung,
die die Heizungen für
eine vorbeugende Aktion gegen Beschlagen aktiviert. Demgemäß wird eine
Steuerung zum automatischen Aktivieren der Scheibenheizungen auf
einem gesteuerten Aktivierungsniveau, das die Bildung von Eis und
Beschlag eliminiert und/oder verhindert, ohne die elektrische Anlage
des Fahrzeuges zu überlasten,
benötigt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung zielt auf ein verbessertes Verfahren der Aktivierung
einer Scheibenheizung ab, worin die Front- und Heckscheibenheizungen
automatisch und unabhängig
auf einem variablen Niveau auf der Grundlage des jeweiligen Beschlagungspotenzials
im Rahmen des Vermögens der
elektrischen Anlage des Fahrzeuges, den angeforderten Strom zu liefern,
ohne den Akkumulator zu entleeren, aktiviert werden. Gemäß der Erfindung entwickelt
eine Beschlagentfernungs-Steuereinheit Front- und Heck-Beschlagungsfaktoren,
die für
das relative Beschlagungspotenzial kennzeichnend sind, und aktiviert
je nach Bedarf die entsprechenden elektrischen Heizungen, um den
entsprechenden Beschlagungsfaktor auf Null zu bringen. Die Beschlagungsfaktoren
basieren auf einer Abschätzung
der Fahrgastraumluft-Taupunkttemperatur, der Temperatur der entsprechenden
Scheibenoberflächen
und einem Temperaturintervall, über
das der Beschlagungsfaktor nur eine teilweise Aktivierung der entsprechenden
Heizung signalisiert. Das Temperaturintervall ist in einer Richtung
vorgespannt, um für
eine vorbeugende Aktivierung der Heizungen auf einem relativ niedrigen
Niveau zu sorgen, wenn der Bedarf an elektrischer Energie begrenzt
ist, und das Aktivierungsniveau ist begrenzt, wie es erforderlich
ist, um einer Akkumulatorentladung vorzubeugen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm einer elektrischen Scheibenheizung eines Kraftfahrzeuges,
die gemäß der Erfindung
gesteuert ist;
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2 sind
Graphen A und B, die eine Beziehung zwischen Taupunkt, Windschutzscheibentemperatur
und Beschlagungsfaktor gemäß der Erfindung
veranschaulichen. Der Graph A zeigt den Taupunkt und die Windschutzscheibentemperatur
als Funktion der Zeit, während
der Graph B den Beschlagungsfaktor als Funktion der Zeit darstellt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist das Verfahren der Erfindung
im Zusammenhang mit einem Kraftfahrzeug mit elektrisch aktivierten
Heizmechanismen für
seine Front-Heck- und Seitenscheiben beschrieben. Die Heizung für die Frontscheibe 10 ist durch
eine dünne
Schicht aus leitendem Material 12 definiert, die Heizung
für die
Heckscheibe 14 ist durch ein gewundenes Leitermuster 16 definiert,
und die Heizung für
die Seitenscheiben ist durch ein Widerstandsheizelement 18 definiert.
Während
die Front- und Heckscheibenheizungen 12, 16, direkt
an den entsprechenden Scheiben 10, 14 angelegt
sind, ist die Seitenscheibenheizung 18 an einer entfernten Stelle
des Fahrzeuges angeordnet, und von der Heizung 18 entwickelte
Wärme wird
z. B. durch einen geeigneten Kanal und einen elektrischen Gebläsemotor
zu den Seitenscheiben des Fahrzeuges geliefert. Die nicht geerdete
Polklemme des Fahrzeugakkumulators 20 ist mit einem Anschluss
einer jeden Heizung 12, 16, 18 gekoppelt,
während
der andere Anschluss einer jeden Heizung durch einen jeweiligen
Schaltmechanismus 22, 24, 26 selektiv
an Masse gelegt ist, um eine selektive Aktivierung einer oder mehrerer
Heizung/en 12, 16, 18 zu ermöglichen.
Wie unten stehend beschrieben, werden die Front- und Heckheizungen 12, 16 auf
der Grundlage eines detektierten Beschlagungspotenzials der jeweiligen Front-
und Heckscheibe 10, 14 unabhängig aktiviert, während die
Seitenscheibenheizung 18 aktiviert wird, wenn ein festgelegtes
Beschlagungspotenzial der Front- und Heckscheiben 10, 14 detektiert
wird. Obwohl in 1 nicht gezeigt, bildet der
Akkumulator 20 typischerweise einen Teil einer elektrischen
Anlage eines Fahrzeuges, die eine/n Motor betriebene/n Generator
oder Lichtmaschine umfasst, der/die während des Motorbetrie bes elektrische
Energie entwickelt, um den Akkumulator 20 aufzuladen und
verschiedene elektrische Lasten des Fahrzeuges, die die Heizungen 12, 16, 18 umfassen,
mit Energie zu versorgen.
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Die
Bezugsziffer 30 bezeichnet allgemein ein Heizungsteuerungssystem
zum Bestimmen von Front- und Heck-Beschlagungsfaktoren FF_FRT, FF_REAR,
die kennzeichnend für
das Beschlagungspotenzial auf den Front- und Heckscheiben 10, 14 sind,
und zum automatischen Aktivieren der Schaltmechanismen 22, 24, 26,
wie es erforderlich ist, um die Bildung von Beschlag auf den entsprechenden
Scheiben innerhalb des Vermögens
der elektrischen Anlage des Fahrzeuges, den erforderlichen Strom
zu liefern, ohne den Akkumulator 20 zu entleeren, zu eliminieren
oder zu verhindern. Die Beschlagungsfaktoren FF_FRT, FF_REAR basieren
jeweils auf einer Fahrgastraum-Taupunktabschätzung DP_EST, die von dem Block 32 bestimmt
wird, einem Maßwert
der Scheibenoberflächentemperatur (WIN_TEMP_FRT,
WIM_TEMP_REAR) und einem Temperaturintervall TEMP_INT, das von Block 34 bestimmt
wird. Der Block 32, der einfach als eine 2-D Nachschlagtabelle
realisiert sein kann, entwickelt die Taupunktabschätzung DP_EST
in Ansprechen auf relative Feuchtigkeits- und Referenztemperatursignale
(REL_HUM, REF_TEMP), die an den Leitungen 36, 38 durch
geeignete zusammen in einem Einzelmodul 40 an einer Innenfläche der
Frontscheibe 10 angeordnete Feuchtigkeits- und Temperatursensoren entwickelt
werden. Die Referenztemperatur REF_TEMP ist einfach die Lufttemperatur
an dem Punkt der Messung der relativen Feuchtigkeit. Die Front-
und Heck-Beschlagungsfaktoren FF_FRT, FF_REAR werden gemäß den relativen
Werten von DP_EST und der entsprechenden Scheibentemperatur WIN_TEMP_FRT
und WIN_TEMP_REAR berechnet. Im Speziellen wird FF_FRT auf einen
Maximalwert FF_MAX gesetzt, wenn WIN_TEMP_FRT kleiner ist als DP_EST,
und auf Null gesetzt, sobald WIN_TEMP_FRT DP_EST um zumindest TEMP_INT überschreitet.
In glei cher Weise wird FF_REAR auf FF_MAX gesetzt, wenn WIN_TEMP_REAR
kleiner ist als DP_EST, und auf Null gesetzt, sobald WIN_TEMP_REAR
DP_EST um zumindest TEMP_INT übersteigt.
Schließlich
wird FF_FRT gemäß FF_FRT = [1 – (WIN_TEMP_FRT – DP_EST)/TEMP_INT]*FF_MAX (1)bestimmt,
wenn WIN_TEMP_FRT zwischen DP_EST und (DP_ES + TEMP_INT) liegt,
und FF_REAR wird gemäß FF_REAR = [1 – (WIN_TEMP_REAR – DP_EST)/TEMP_INT]*FF_MAX (2)bestimmt,
wenn WIN_TEMP_REAR zwischen DP_EST und (DP_ES + TEMP_INT) liegt. 2 veranschaulicht
grafisch die Beziehung für
den Fall des Front-Beschlagungsfaktors FF_FRT; der Graph A zeigt
WIN_TEMP_FRT, DP_EST und TEMP_INT, während der Graph B FF_FRT zeigt,
alle als eine Funktion der Zeit. In der Veranschaulichung bleibt
die Scheibentemperatur WIN_TEMP_FRT konstant, während die Taupunkttemperatur
DP_EST mit der Zeit z. B. auf Grund des Atems der Fahrgastrauminsassen
ansteigt. Vor der Zeit t1 ist DP_EST um zumindest TEMP_INT unter
WIN_TEMP_FRT, und FF_FRT besitzt einen Wert von Null. Wenn DP_EST beginnend
bei der Zeit t1 über
(WIN_TEMP_FRT – TEMP_INT)
ansteigt, wird FF_FRT gemäß oben stehender
Gleichung (1) bestimmt und besitzt einen Wert zwischen Null und
FF_MAX; und sobald DP_EST bei der Zeit t2 WIN_TEMP_FRT erreicht, wird
FF_FRT bei dem Maximalwert FF_MAX gehalten. Selbstverständlich gilt
die selbe Beziehung für FF_REAR
und WIN_TEMP_REAR.
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Das
von dem Block 34 entwickelte Temperaturintervall TEMP_INT
besitzt einen Nominalwert wie durch die Beschriftung TEMP_INT in
dem Graph A von 2 bezeichnet, ist aber verlängert, wenn
die Außenlufttemperatur
OAT niedrig ist oder wenn die Klemmenspannung Vb des Akkumulators 20 anzeigt, dass
der Energiehaushalt zum Betätigen
der Heizungen 12, 14, 18 gering ist.
Wie in 2 veranschaulicht, sorgt ein Verlängern von
TEMP_INT für
eine vorgreifende Heizung der Scheiben 10, 14.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ersichtlich, das ein in
dem Graph A als TEMP_INT' bezeichnetes
höheres
Temperaturintervall einen früheren
Anstieg von FF_FRT bewirkt, wie durch die Spur FF_FRT' in dem Graph B angezeigt.
Im Fall einer niedrigen Außenlufttemperatur
erzeugt die frühere
Aktivierung der entsprechenden Heizung/en 12, 16, 18 einen
kleinen Betrag an Heizung bevor es wirklich erforderlich ist, ein
Beschlagen in Situationen zu verhindern, in denen die relative Feuchtigkeit
(und daher die Taupunkttemperatur) in dem Fahrzeug auf Grund z.
B. des Atmungsniveaus der Insassen oder abdampfender Kleidung zunimmt.
Im Fall eines geringen Energiehaushaltes verhindert die frühere Aktivierung
der entsprechenden Heizung/en 12, 16, 18 mit
niedrigem Energieverbrauch ein Beschlagen und verringert die Wahrscheinlichkeit,
dass eine hohe Energie erforderlich sein wird, um ein Beschlagen
zu verhindern.
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Unter
neuerlicher Bezugnahme auf 1 berechnet
der Block 42 den Front-Beschlagungsfaktor FF_FRT, und der
Block 44 berechnet den Heck-Beschlagungsfaktor FF_REAR. Das Frontscheibentemperatursignal
WIN_TEMP_FRT zum Berechnen von FF_FRT wird von einem Temperatursensor 46 an
der Frontscheibe 10 erhalten, und das Heckscheibentemperatursignal
WIN_TEMP_REAR zum Berechnen von FF_REAR wird von einem Temperatursensor 48 an
der Heckscheibe 14 erhalten. Der Wählschalter 50 ist
mit dem Block 42 gekoppelt und legt FF_FRT als einen Eingang
an die Steuereinheit 52 an, es sei denn der Zeitgeber 54 wurde
von dem Eingang des Front-Beschlagentfernungsschalters (FDS) an
der Leitung 56 aktiviert. Sobald der Zeitgeber 54 durch
den FDS-Eingang ak tiviert wurde, bewirkt er, dass der Wählschalter 50 den
maximalen Beschlagungsfaktor FF_MAX für ein vorbestimmtes Intervall
wie z. B. zwei Minuten an die Steuereinheit 52 anlegt.
In gleicher Weise ist der Wählschalter 60 mit
dem Block 44 gekoppelt und legt FF_REAR als einen Eingang
an die Steuereinheit 62 an, es sei denn der Zeitgeber 64 wurde
von dem Eingang des Heck-Beschlagentfernungsschalters (RDS) an der Leitung 66 aktiviert.
Sobald der Zeitgeber 64 durch den RDS-Eingang aktiviert
wurde, bewirkt er, dass der Wählschalter 60 den
maximalen Beschlagungsfaktor FF_MAX für ein vorbestimmtes Intervall
wie z. B. zwei Minuten an die Steuereinheit 62 anlegt.
Auf diese Weise kann der Fahrer des Fahrzeuges für ein vorbestimmtes Intervall
eine volle Aktivierung der Front- und/oder Heckheizungen 12, 16 anfordern
und erhalten, wie im Licht der folgenden Beschreibung deutlich werden
wird.
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Die
Steuereinheiten 52 und 62 sprechen auf die Ausgänge der
Wählschalter 50 bzw. 60 an
und entwickeln Aktivierungssignale für die Front- und Heckheizungen 12, 16,
um den entsprechenden Beschlagungsfaktor-Eingang auf Null zu bringen. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform
kann z. B. eine jede der Steuereinheiten 52 und 62 eine
Steuereinheit mit geschlossenem Regelkreis (wie z. B. ein PID-Regler)
sein, die auf der Grundlage der Größe des entsprechenden Beschlagungsfaktor-Eingangs ein
Fehlersignal berechnet, und die auf der Grundlage des Fehlersignales
ein Ausgangssignal entwickelt, um so das Fehlersignal auf Null zu
bringen. Alternativ können
die Steuereinheiten 52, 62 fuzzy logic- oder andere
Steuerregeln ausführen.
Optional können
die Steuereinheiten 52, 62 auch auf die Akkumulatorspannung
Vb ansprechen, um in die normale Steuerung einzugreifen, falls Vb
anzeigt, dass die elektrische Anlage des Fahrzeuges nicht mehr in der
Lage ist, Ladestrom an den Akkumulator 20 zu liefern; in
einem solchen Fall kann die Heizungsaktivierung bis zu dem Punkt
verringert werden, an dem eine Akkumulatoraufladung erfolgt. Die Steuereinheit-Ausgangssignale
werden an PWM-Generatoren 68, 70 angelegt, um
die entsprechenden Ein-Aus-Steuersignale an die jeweiligen Schaltmechanismen 22, 24 zu
liefern, vorausgesetzt, die jeweiligen Leistungstrennschalter 72, 74 sind
geschlossen, wie gezeigt. Der Leistungstrennschalter 72 wird
aktiviert, um den Eingang an den Schaltmechanismus 72 zu
unterbrechen, wenn der Block 76 einen Überstrom oder eine Kurzschlussbedingung der
Frontscheibenheizung 12 detektiert, und der Leistungstrennschalter 74 wird
aktiviert, um den Eingang an den Schaltmechanismus 74 zu
unterbrechen, wenn der Block 78 einen Überstrom oder eine Kurzschlussbedingung
der Heckscheibenheizung 16 detektiert.
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Schließlich vergleichen
die Vergleichseinrichtungen 80 und 82 die Front- und Heck-Beschlagungsfaktoren
FF_FRT, FF_REAR mit entsprechenden Referenzwerten REF_FRT, REF_REAR.
Wenn einer der Referenzwerte überschritten
ist, aktiviert das OR-Gate 84 den Schalter 86,
um die Seitenscheibenheizung 18 an Masse zu legen, wie
gezeigt. Auf diese Weise findet so lange eine Seitenscheibenheizung
statt, wie ein beträchtliches
Beschlagungspotenzial der Front- oder Heckscheibe 10, 14 detektiert
wird.
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Zusammenfassend
stellt die Steuerung der Erfindung eine automatische und unabhängige Aktivierung
elektrischer Scheibenheizungen auf variablem Niveau auf der Grundlage
des entsprechenden Beschlagungspotenzials innerhalb des Vermögens der
elektrischen Anlage des Fahrzeuges, den erforderlichen Strom zu
liefern, ohne den Akkumulator zu entladen, bereit. Auch kann der
Fahrer des Fahrzeuges durch manuelles Aktivieren der Front- und/oder Heck-Beschagentfernungschalter-Eingänge vorübergehend
in die automatische Steuerung eingreifen, um eine maximale Heizung
zu erhalten. Unter automatischer Steuerung ist der Energieverbrauch
im Vergleich mit nur manueller Steuerung deutlich verringert, da
die Heizungen nur in Bezug auf das Beschlagungspotenzial zum Be schlagen
aktiviert sind. Zusätzlich
sorgt die Steuerung für
eine vorgreifende Heizung zum Verhindern einer Beschlagung, wenn der
Energiehaushalt niedrig ist und/oder die Außenlufttemperatur sehr niedrig
ist. Obwohl mit Bezug auf die veranschaulichte Ausführungsform
beschrieben ist zu erwarten, dass dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen
zusätzlich
zu den vorstehend angeführten
einfallen werden. Zum Beispiel ist die Steuerung auf Systeme mit
einer größeren oder
kleineren Anzahl von Scheibenheizungen, oder auf elektrische, Hybrid-
oder Brennstoffzellenfahrzeuge, oder beispielsweise sogar auf Nicht-Fahrzeug-Installationen anwendbar.
Auch kann der Fahrgastraumtaupunkt anders abgeschätzt werden
als gezeigt; und der Heizungsstrom kann durch ein anderes Verfahren
als PWM wie z. B. eine lineare Stromsteuerung gesteuert sein. Somit
wird einzusehen sein, dass Steuerverfahren, die diese und weitere
Abwandlungen einbeziehen, in den Umfang der Erfindung fallen, der
durch die beiliegenden Ansprüche
definiert ist.