EP4627874A1 - Elektrischer schaltungsaufbau für einen mehrzonen-heizbetrieb mit optionalem kapazitivem messbetrieb zur annäherungsdetektion, zugehöriges lenkrad und verfahren - Google Patents

Elektrischer schaltungsaufbau für einen mehrzonen-heizbetrieb mit optionalem kapazitivem messbetrieb zur annäherungsdetektion, zugehöriges lenkrad und verfahren

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Publication number
EP4627874A1
EP4627874A1 EP24701870.8A EP24701870A EP4627874A1 EP 4627874 A1 EP4627874 A1 EP 4627874A1 EP 24701870 A EP24701870 A EP 24701870A EP 4627874 A1 EP4627874 A1 EP 4627874A1
Authority
EP
European Patent Office
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heating
switching element
heating wire
control
alternating voltage
Prior art date
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Pending
Application number
EP24701870.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Schneider
Friedrich Wieland
Georg Bauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Preh GmbH
Original Assignee
Preh GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Preh GmbH filed Critical Preh GmbH
Publication of EP4627874A1 publication Critical patent/EP4627874A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H05B1/0236—Industrial applications for vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D1/00—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle
    • B62D1/02—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle vehicle-mounted
    • B62D1/04—Hand wheels
    • B62D1/06—Rims, e.g. with heating means; Rim covers
    • B62D1/065—Steering wheels with heating and ventilating means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/002—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements
    • H05B2203/005—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements using multiple resistive elements or resistive zones isolated from each other
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/037—Heaters with zones of different power density

Definitions

  • At least one first switching element is provided per heating wire, which is connected between the heating wire and one of two different heating potentials of the heating voltage in such a way that when the first switching element is in a conductive state, the heating wire is supplied with the heating current, which represents the heating operation of the respective heating wire. Whereas when the first switching element is in a blocking state, the heating current and thus the associated heating operation is interrupted.
  • a shielding circuit is also provided which is designed to apply the alternating voltage of the alternating voltage source to the first control terminal of the first switching element and/or the second control terminal of the second switching element of the at least one all-pole switched-off heating wire during the measuring operation.
  • the renewed use of the term alternating voltage is intended to ensure that the alternating voltage applied to the heating wire during the measuring operation and the alternating voltage applied to the control terminal essentially match in amplitude, frequency and phase in order to achieve optimal shielding. It is implicitly ensured that the alternating voltage and/or the respective switching element are designed in such a way that a switching operation of the respective switching element is excluded during the measuring operation.
  • control signals differing in the duty cycle are each assigned to heating wires that differ in a thermal coupling between the respective heating wire and the associated zone of the contact surface, for example the thermal conductivity between the respective heating wire and the associated zone of the contact surface.
  • the invention further relates to a method for carrying out a multi-zone heating operation, which has the following steps.
  • a circuit structure which has several heating wires that can be fed in parallel from a heating voltage for heating a contact surface comprising several zones, with one heating wire being assigned to each zone.
  • the circuit structure provided has at least one first switching element per heating wire, which is connected between the heating wire and one of two different heating potentials in such a way that in a heating operation, when the first switching element is in the conductive state, the heating wire is supplied with a heating current, and in a blocking state of the first switching element, the heating current and thus the heating operation is interrupted.
  • a control circuit is provided which is designed to generate a separate pulse-width-modulated first control signal for each heating wire, which is applied to a first control connection of the first switching element, in order to switch the first switching element between the conductive state and the blocking state.
  • heating takes place in a common heating stage, wherein the control circuit applies a respective associated heating current to the plurality of heating wires in parallel, overlapping and/or alternating, preferably over a periodic sequence of several heating operations, and at least two of the first control signals differ in their duty cycle, so that the associated heating currents differ in their temporal course of the heating current and the heating power is different for at least two heating wires over a temporal course of the common heating stage, since the duration of a continuous Heating operation of the several periodically successive heating operations is changed in relation to the duration of the non-heating operation in between.
  • the heating output of the respective heating wire during heating in the common heating stage is thus adapted to the thermal conditions locally present at the respective heating wire, for example a specific heat capacity of the environment surrounding the respective heating wire.
  • the common heating level means that when heating within the common heating level, a permanent shutdown of a heating wire or a change of heating level for one or more of the heating circuits should be excluded.
  • the common heating stage is characterized by a consistent target surface temperature of the multiple heating zones. Even more preferably, the common heating stage is characterized in that after a heating phase of 10 minutes for all zones, an actual surface temperature determined on the respective zone of the contact surface has a deviation in magnitude from the consistent target surface temperature of no more than 5°C.
  • heating level should not imply that several heating levels must necessarily be required. Therefore, according to the invention, only one or several heating levels can be provided. However, with the respective heating level set across all heating wires, all heating wires are supplied with a heating current in parallel, overlapping and/or alternating and at least two of the control signals present within the joint heating mode differ according to the invention in terms of the duty cycle, i.e. in the ratio of the duration of the heating mode to the duration of the non-heating mode. It is conceivable that the duty cycle ratio of these two control signals changes when changing to another heating level of the joint heating mode.
  • all first control signals differ in their duty cycle during heating in the common heating stage.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltungsaufbau (1) für einen Mehrzonen-Heizbetrieb, aufweisend: mehrere parallel aus einer Heizspannung speisbare Heizdrähte (2, 2') zum Erwärmen einer mehrere Zonen (20, 20') umfassenden Berührfläche (19); wobei jeweils ein Heizdraht (2, 2') einer Zone (20, 20') zugeordnet ist; mindestens ein erstes Schaltelement (3a, 3a') pro Heizdraht (2, 2'), das zwischen dem Heizdraht (2, 2') und einem von zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen (VH+, VH-) der Heizspannung so verschaltet ist, dass in einem Heizbetrieb bei leitendem Zustand des ersten Schaltelements (3a, 3a') der jeweilige Heizdraht (2, 2') mit einem Heizstrom beaufschlagt wird und in einem Sperrzustand des ersten Schaltelements (3a, 3a') der Heizstrom unterbrochen wird; eine Steuerschaltung (12, 6a, 6a', 6b, 6b'), die ausgebildet ist, für jeden Heizdraht (2, 2') ein separates, jeweils an einem ersten Steueranschluss (Ga, G'a) des ersten Schaltelements (3a, 3a') anliegendes, pulsweitenmoduliertes, erstes Steuersignal (ST1, ST1') zu erzeugen, um das erste Schaltelement (3a, 3a') jeweils zwischen dem leitenden Zustand und dem Sperrzustand umzuschalten; wobei die Steuerschaltung (12, 6a, 6a', 6b, 6b') ferner ausgebildet ist, die mehreren Heizdrähte (2, 2') parallel, überschneidend und/oder alternierend in einer gemeinsamen Heizstufe mit einem jeweils zugehörigen Heizstrom zu beaufschlagen, wobei sich mindestens zwei der ersten Steuersignale (ST1, ST1') in ihrem Tastgrad unterscheiden.

Description

Elektrischer Schaltungsaufbau für einen Mehrzonen-Heizbetrieb mit optionalem kapazitivem Messbetrieb zur Annäherungsdetektion, zugehöriges Lenkrad und Verfahren
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltungsaufbau für einen Mehrzonen- Heizbetrieb mit optionalem kapazitivem Messbetrieb, insbesondere für ein Lenkrad eines Kraftfahrzeugs. Das Lenkrad eines Kraftfahrzeugs ist bei Fahrzeugen regelmäßig mit einer elektrischen Heizung als Komfortfunktion versehen, dazu ist der Lenkradkranz des Lenkrads mit einem Heizdraht durchzogen, so dass der durch die Oberfläche des Lenkradkranzes definierte Griffbereich beheizt werden kann. Üblicherweise lässt sich der Griffbereich in Zonen unterteilen, die sich in der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Wärmekapazität unterscheiden. Dieser Unterschied kann sich aus unterschiedlichen Materialien ergeben, weil beispielsweise der Lenkradkranz nur bereichsweiseweise aus Holz besteht und somit der zugehörige hölzerne Griffbereich sich vom verbleibenden Griffbereich aus Leder oder Kunstleder in der Wärmeleitfähigkeit unterscheidet. Darüber hinaus ist in den Lenkradkranz typischerweise ein metallischer Kern eingebettet, der von einem Schichtaufbau, einschließlich des Heizdrahtes umgeben ist. Variationen betreffend den Aufbau des Lenkradkranzes in Umfangsrichtung können sich daraus ergeben, dass der Querschnitt des metallischen Kerns in Umfangsrichtung in Dimensionierung und Form variiert aber auch der umgebende Schichtaufbau hinsichtlich Materialauswahl und Materialstärke in Umfangsrichtung nicht gleichmäßig ausgebildet ist. Dies führt dazu, dass die Wärmeverteilung über den Griffbereich nicht gleichmäßig ist.
Aus sicherheitstechnischen Überlegungen aber auch um zusätzliche Komfortfunktionen zu realisieren, besteht Bedarf ferner eine Berühr- oder zumindest eine Annäherungsdetektion durchführen zu können, wie die sogenannte Hands-On-Detektion, bei der es darum geht, das Ergreifen des Lenkradkranzes zu überwachen. Es bietet sich daher an, den Heizdraht in einer Nicht-Heizphase im sogenannten Messbetrieb als Elektrode zur kapazitiven Annäherungsdetektion zu verwenden. Da der Heizbetrieb üblicherweise mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal durchgeführt wird, das ein oder mehrere den Heizstrom unterbrechende Schaltelemente steuert, sind Phasen, in denen kein Heizstrom anliegt, vorhanden, die für den Messbetrieb genutzt werden. Um in dem Messbetrieb „allseitige", d.h. von allen den Heizstrom bereitstellenden Polen der Heizspannung Einstreuungen in die zwischen dem Heizdraht als kapazitive Elektrode und einer Referenzelektrode oder dem Massepotenzial zu vermeiden, ist es beispielsweise aus der DE 11 2014 002 044 T5 bekannt, den Heizdraht im Messbetrieb allpolig, d.h. von allen die unterschiedlichen Heizpotenziale bereitstellenden Polen durch entsprechend vorgesehene Schaltelemente zu trennen, die als High-Side- bzw. Low-Side-Schalter bezeichnet werden. Auch die kapazitive berühr- bzw. Annäherungsdetektion ist von einer eingangs beschriebenen Ungleichmäßigkeit des Aufbaus des Lenkradkranzes in Umfangsrichtung betroffen, weil beispielsweise ein in Umfangsrichtung variierender Abstand des Heizdrahtes zum Lenkradkern bzw. zum nächstliegenden Abschnitt des Griffbereichs bzw. eine örtliche Veränderung der als Dielektrikum wirkenden Materialien des Lenkradkranzes die Sensitivität der kapazitiven Berührdetektion örtlich variieren lassen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schaltungsaufbau für einen Mehrzonen-Heizbetrieb mit optionalem kapazitivem Messbetrieb bereitzustellen, bei dem zumindest der gemeinsame Heizbetrieb besser auf die thermischen Umgebungsbedingungen der einzelnen Zonen, auch als Heizzonen bezeichnet, angepasst ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Schaltungsaufbau des Anspruchs 1. Weitere Merkmale, Ausführungsformen, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Ein Lenkrad mit dem Schaltungsaufbau sowie ein Verfahren zur Durchführung eines Mehrzonen- Heizbetriebs sind jeweils Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche.
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltungsaufbau für einen Mehrzonen- Heizbetrieb. Der Schaltungsaufbau weist mehrere parallel aus einer Heizspannung speisbare Heizdrähte zum Erwärmen einer mehrere Zonen umfassenden Berührfläche auf. Dabei ist jeweils ein Heizdraht einer Zone der Berührfläche zugeordnet. Die Zonen überschneiden sich bevorzugt nicht. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung unterscheiden sich wenigstens zwei Zonen durch die Oberflächengestaltung und/oder Materialbeschaffenheit der zugehörigen Berührfläche. Der Heizdraht ist beispielsweise ein Widerstandsdraht, wie ein Nickel-Chrom-Draht ist, der bei elektrischer Verbindung mit zwei auf zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen liegenden Polen einer Heizspannung von einem elektrischen Heizstrom durchsetzt wird, so dass an dem Heizdraht eine Heizspannung abfällt.
Erfindungsgemäß ist mindestens ein erstes Schaltelement pro Heizdraht vorgesehen, das zwischen dem Heizdraht und einem von zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen der Heizspannung so verschaltet ist, dass in einem leitendem Zustand des ersten Schaltelements jeweils der Heizdraht mit dem Heizstrom beaufschlagt wird, was den Heizbetrieb des jeweiligen Heizdrahtes darstellt. Wohingegen in einem Sperrzustand des ersten Schaltelements der Heizstrom und damit der zugehörige Heizbetrieb unterbrochen wird.
Die ferner erfindungsgemäß vorgesehene Steuerschaltung ist ausgebildet, für jeden Heizdraht ein separates, jeweils an einem ersten Steueranschluss des ersten Schaltelements anliegendes, pulsweitenmoduliertes, erstes Steuersignal zu erzeugen, um das erste Schaltelement jeweils zwischen dem leitenden Zustand und dem Sperrzustand unabhängig von den ersten Schaltelementen der verbliebenen Heizdrähte umzuschalten.
Erfindungsgemäß ist die Steuerschaltung ferner ausgebildet, die mehreren Heizdrähte parallel, überschneidend und/oder alternierend in einer gemeinsamen Heizstufe mit einem jeweils zugehörigen Heizstrom, bevorzugt über ein periodische Abfolge von mehreren Heizbetrieben, zu beaufschlagen, wobei sich mindestens zwei der ersten Steuersignale in ihrem Tastgrad unterscheiden, so dass sich damit die zugehörigen Heizströme in ihrem zeitlichen Verlauf des Heizstroms unterscheiden und die Heizleistung über einen zeitlichen Verlauf der gemeinsamen Heizstufe hinweg für mindestens zwei Heizdrähte unterschiedlich ausfällt, da sich die Dauer eines zusammenhängenden Heizbetriebs der mehreren periodisch abfolgenden Heizbetriebe im Verhältnis zur Dauer des zeitlich dazwischenliegenden Nicht-Heizbetriebs verändert. Beispielsweise wird somit die Heizleistung des jeweiligen Heizdrahtes während des Heizens in der gemeinsamen Heizstufe an die örtlich am jeweiligen Heizdraht vorliegenden, thermischen Bedingungen, beispielsweise eine spezifische Wärmekapazität der den jeweiligen Heizdraht umgebenden Umgebung, angepasst. Die gemeinsame Heizstufe meint, dass beim Heizen innerhalb der gemeinsamen Heizstufe eine dauerhafte Abschaltung eines Heizdrahts oder ein Heizstufenwechsel für einen oder mehrere der Heizkreise ausgeschlossen sein soll.
Bevorzugt ist die gemeinsame Heizstufe durch eine übereinstimmende und damit gemeinsame Oberflächen-Soll-Temperatur der mehreren Heizzonen charakterisiert. Noch bevorzugter ist die gemeinsame Heizstufe dadurch charakterisiert, dass nach einer Aufheizphase von 10 Minuten für alle Zonen eine auf der jeweiligen Zone der Berührfläche bestimmte Oberflächen-Ist-Temperatur eine betragsmäßige Abweichung gegenüber der übereinstimmenden, gemeinsamen Oberflächen-Soll-Temperatur von nicht mehr als 5°C, meist bevorzugt 3°C, aufweist.
Der Begriff Heizstufe soll aber nicht implizieren, dass zwingend mehrere Heizstufen erforderlich sein müssen. Daher können erfindungsgemäß nur eine aber auch mehrere Heizstufen vorgesehen sein. Bei der jeweiligen alle Heizdrähte übergreifend eingestellten Heizstufe werden jedoch alle Heizdrähte parallel, überschneidend und/oder alternierend mit einem Heizstrom beaufschlagt und mindestens zwei der zeitlich innerhalb des gemeinsamen Heizbetriebs anliegenden Steuersignale unterscheiden sich erfindungsgemäß im Tastgrad, also im Verhältnis von Dauer des Heizbetriebs zur Dauer des Nicht-Heizbetriebs. Denkbar ist, dass sich das Tastgradverhältnis dieser zwei Steuersignale mit dem Wechsel in eine andere Heizstufe des gemeinsamen Heizbetriebs verändert.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich alle ersten Steuersignale in ihrem Tastgrad während des Heizens in der gemeinsamen Heizstufe unterscheiden.
Bevorzugt weist die Steuerschaltung für jeden Heizdraht eine Schaltungskomponente aus zwei als Stromspiegel verschalteten Transistoren zur Erzeugung des jeweils am ersten Schaltelement anliegenden pulsweitenmodulierten, ersten Steuersignals auf. Beispielsweise ist die Schaltungskomponente vorgesehen, einen Logik-Pegel eines pulsweitenmodulierten, von einem zur Steuerschaltung gehörigen Mikrocontroller ausgegebenen Ausgangssignals an den für das erste Schaltelement erforderlichen Steuerpegel des ersten Steuersignals unter Beibehalt der Pulsweitenmodulation und damit der Frequenz des Ausgangssignals anzupassen. Gegenüber herkömmlichen, sogenannten Levelshiftern oder Spannungsmultiplikatoren, wie Ladungspumpen, wird durch die Verwendung eines Stromspiegels eine höhere Flankensteilheit insbesondere über eine vergleichsweise große Variationsbreite der möglichen Tastgrade und damit insbesondere für diverse Oberflächensolltemperaturen erreicht. Dies führt dazu, dass die Heizleistung für die einzelnen Zonen genauer eingestellt werden kann.
Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Schaltelement um jeweils ein p-Kanal- Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Bevorzugter ist der p-Kanal-Metalloxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor als High-Side-Schalter verschaltet, also zwischen dem betragsmäßig höheren der beiden Heizspannungspotenziale und dem Heizdraht angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung für mindestens einen Heizdraht, bevorzugt mehrere Heizdrähte, ein zweites Schaltelement auf, welches durch die Steuerschaltung durch Anlegen des ersten Steuersignals oder eines zweiten Steuersignals an einen zweiten Steueranschluss des zweiten Schaltelements zwischen einem Sperrzustand und einem leitenden Zustand umschaltbar ist, wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist, in einem zeitlich außerhalb des Heizbetriebs des jeweiligen Heizdrahtes liegenden Messbetrieb zur allpoligen Abschaltung des jeweiligen Heizdrahtes jeweils das erste Schaltelement und zweite Schaltelement pro Heizdraht in den Sperrzustand zu schalten. Bei dieser Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung ferner mindestens eine Detektionsschaltung auf, die ausgebildet ist, in dem Messbetrieb die Kapazität mindestens des einen allpolig abgeschalteten Heizdrahts gegenüber einem Referenzpotenzial durch Beaufschlagung des jeweiligen Heizdrahtes mit einer Wechselspannung einer Wechselspannungsquelle zu ermitteln. Das Referenzpotenzial ist beispielsweise das an einer Referenzelektrode oder der Fahrzeugmasse anliegende elektrische Potenzial. Anhand einer Änderung dieser Kapazität lässt sich beispielsweise eine Annäherung eines Fahrzeuginsassen oder zumindest die Annäherung einer Hand des Fahrzeuginsassen detektieren. Zur Bestimmung einer Kapazität dieser Art sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Erfindungsgemäß werden hier solche Verfahren angewandt, bei denen die Kapazität zuverlässig durch Anlegen einer Wechselspannung an den Heizdraht als Sendeelektrode detektierbar ist. Amplitudenmodulierte Detektionsschaltungen versorgen den durch den Heizdraht gebildeten zu messenden Kondensator mit hochfrequentem Wechselstrom (z. B. 20 kHz) und erfassen den resultierenden Blindstrom.
Bei frequenzmodulierten Detektionsschaltungen wird der zu messende Kondensator mit einer Induktivität zu einem Schwingkreis als Bestandteil eines LC-Oszillators zusammengeschaltet, dessen Frequenz gemessen wird, indem sie mit einer Referenz verglichen wird. Bei einer anderen Variante der frequenzmodulierten Detektionsschaltung ist der Messkondensator Bestandteil eines astabilen Multivibrators. Bevorzugt ist die Detektionsschaltung ausgelegt, im Messbetrieb einen aus der Beaufschlagung mit der Wechselspannung resultierenden Stromverlauf zwischen dem Heizleiter und der Wechselspannungsquelle zu messen, um daraus anhand einer Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und dem Stromverlauf die Kapazität zu ermitteln. Beispielsweise wird der Stromverlauf anhand eines Spannungsabfalls an einem Nebenschlusswiderstand (shunt) unter Signalverstärkung durch einen Messverstärker gemessen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltungsaufbaus ist ferner eine Abschirmschaltung vorgesehen, die ausgebildet ist, während des Messbetriebs den ersten Steueranschluss des ersten Schaltelements und/oder den zweiten Steueranschluss des zweiten Schaltelements des wenigstens einen allpolig abgeschalteten Heizdrahtes mit der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle zu beaufschlagen. Hierbei soll mit der erneuten Verwendung des Begriffs Wechselspannung darauf abgestellt, dass die im Messbetrieb am Heizdraht anliegende Wechselspannung und die an dem Steueranschluss anliegende Wechselspannung im Wesentlichen in Amplitude, Frequenz und Phase übereinstimmen, um eine optimale Abschirmung zu erreichen. Dabei soll implizit gewährleistet sein, dass die Wechselspannung und/oder das jeweilige Schaltelement so ausgelegt sind, dass ein Schaltvorgang des jeweiligen Schaltelements im Messbetrieb ausgeschlossen ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Lenkrad für ein Kraftfahrzeug, welches einen elektrischen Schaltungsaufbau in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen zumindest teilweise beinhaltet, wobei die mehreren Heizdrähte in einen Lenkradkranz des Lenkrads integriert sind, welcher die Berührfläche ausbildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Lenkrads sind die sich im Tastgrad unterscheidenden Steuersignale jeweils solchen Heizdrähten zugeordnet, die sich in einer thermischen Kopplung zwischen dem jeweiligen Heizdraht und der zugeordneten Zone der Berührfläche, beispielsweise der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem jeweiligen Heizdraht und der zugeordneten Zone der Berührfläche, unterscheiden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Durchführung einen Mehrzonen- Heizbetriebs, welches die folgenden Schritte aufweist. In einem Bereitstellungsschritt erfolgt ein Bereitstellen eines Schaltungsaufbaus, welcher mehrere parallel aus einer Heizspannung speisbare Heizdrähte zum Erwärmen einer mehrere Zonen umfassenden Berührfläche aufweist, wobei jeweils ein Heizdraht einer Zone zugeordnet ist. Der bereitgestellte Schaltungsaufbau weist mindestens ein erstes Schaltelement pro Heizdraht auf, das zwischen dem Heizdraht und einem von zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen so verschaltet ist, dass in einem Heizbetrieb bei leitendem Zustand des ersten Schaltelements jeweils der Heizdraht mit einem Heizstrom beaufschlagt wird und in einem Sperrzustand des ersten Schaltelements der Heizstrom und damit der Heizbetrieb unterbrochen wird. Ferner ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die ausgebildet ist, für jeden Heizdraht ein separates, jeweils an einem ersten Steueranschluss des ersten Schaltelements anliegendes, pulsweitenmoduliertes, erstes Steuersignal zu erzeugen, um das erste Schaltelement jeweils zwischen dem leitenden Zustand und dem Sperrzustand umzuschalten. In einem Heizschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Heizen in einer gemeinsamen Heizstufe, wobei durch die Steuerschaltung die mehreren Heizdrähte parallel, überschneidend und/oder alternierend in mit einem jeweils zugehörigen Heizstrom, bevorzugt über eine periodische Abfolge von mehreren Heizbetrieben, beaufschlagt werden und sich mindestens zwei der ersten Steuersignale in ihrem Tastgrad unterscheiden, so dass sich damit die zugehörigen Heizströme in ihrem zeitlichen Verlauf des Heizstroms unterscheiden und die Heizleistung über einen zeitlichen Verlauf der gemeinsamen Heizstufe hinweg für mindestens zwei Heizdrähte unterschiedlich ausfällt, da sich die Dauer eines zusammenhängenden Heizbetriebs der mehreren periodisch abfolgenden Heizbetriebe im Verhältnis zur Dauer des zeitlich dazwischenliegenden Nicht-Heizbetriebs verändert. Beispielsweise wird somit die Heizleistung des jeweiligen Heizdrahtes während des Heizens in der gemeinsamen Heizstufe an die örtlich am jeweiligen Heizdraht vorliegenden, thermischen Bedingungen, beispielsweise eine spezifische Wärmekapazität der den jeweiligen Heizdraht umgebenden Umgebung, angepasst.
Die gemeinsame Heizstufe meint, dass beim Heizen innerhalb der gemeinsamen Heizstufe eine dauerhafte Abschaltung eines Heizdrahts oder ein Heizstufenwechsel für einen oder mehrere der Heizkreise ausgeschlossen sein soll.
Bevorzugt ist die gemeinsame Heizstufe durch eine übereinstimmende Oberflächensolltemperatur der mehreren Heizzonen charakterisiert. Noch bevorzugter ist die gemeinsame Heizstufe dadurch charakterisiert, dass nach einer Aufheizphase von 10 Minuten für alle Zonen eine auf der jeweiligen Zone der Berührfläche bestimmte Oberflächen-Ist-Temperatur eine betragsmäßige Abweichung gegenüber der übereinstimmenden Oberflächensolltemperatur von nicht mehr als 5°C aufweist.
Der Begriff Heizstufe soll aber nicht implizieren, dass zwingend mehrere Heizstufen erforderlich sein müssen. Daher können erfindungsgemäß nur eine aber auch mehrere Heizstufen vorgesehen sein. Bei der jeweiligen alle Heizdrähte übergreifend eingestellten Heizstufe werden jedoch alle Heizdrähte parallel, überschneidend und/oder alternierend mit einem Heizstrom beaufschlagt und mindestens zwei der zeitlich innerhalb des gemeinsamen Heizbetriebs anliegenden Steuersignale unterscheiden sich erfindungsgemäß im Tastgrad, also im Verhältnis von Dauer des Heizbetriebs zur Dauer des Nicht-Heizbetriebs. Denkbar ist, dass sich das Tastgradverhältnis dieser zwei Steuersignale mit dem Wechsel in eine andere Heizstufe des gemeinsamen Heizbetriebs verändert.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich alle ersten Steuersignale in ihrem Tastgrad während des Heizens in der gemeinsamen Heizstufe unterscheiden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die sich im Tastgrad unterscheidenden Steuersignale jeweils solchen Heizdrähten zugeordnet sind, die sich in einer thermischen Kopplung zwischen dem jeweiligen Heizdraht und der zugeordneten Zone der Berührfläche, beispielsweise der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem jeweiligen Heizdraht und der zugeordneten Zone der Berührfläche, unterscheiden.
Bevorzugt weist die bereitgestellte Steuerschaltung für jeden Heizdraht eine Schaltungskomponente aus zwei als Stromspiegel verschalteten Transistoren zur Erzeugung des jeweils am ersten Schaltelement anliegenden pulsweitenmodulierten, ersten Steuersignals auf. Beispielsweise ist die Schaltungskomponente vorgesehen, einen Logik-Pegel eines pulsweitenmodulierten, von einem zur Steuerschaltung gehörigen Mikrocontroller ausgegebenen Ausgangssignals an den für das erste Schaltelement erforderlichen Steuerpegel des ersten Steuersignals unter Beibehalt der Pulsweitenmodulation und damit der Frequenz des Ausgangssignals anzupassen. Gegenüber herkömmlichen, sogenannten Levelshiftern oder Spannungsmultiplikatoren, wie Ladungspumpen, wird durch die Verwendung eines Stromspiegels eine höhere Flankensteilheit insbesondere über eine vergleichsweise große Variationsbreite der möglichen Tastgrade und damit insbesondere für diverse Oberflächensolltemperaturen erreicht. Dies führt dazu, dass die Heizleistung für die einzelnen Zonen genauer eingestellt werden kann.
Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Schaltelement der bereitgestellten Schaltungsanordnung um jeweils ein p-Kanal-Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor. Bevorzugter ist der p-Kanal-Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor als High-Side-Schalter verschaltet, also zwischen dem betragsmäßig höheren der beiden Heizspannungspotenziale und dem Heizdraht angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die bereitgestellte Schaltungsanordnung für mindestens einen Heizdraht, bevorzugt mehrere Heizdrähte, ein zweites Schaltelement auf, welches durch die Steuerschaltung durch Anlegen des ersten Steuersignals oder eines zweiten Steuersignals an einen zweiten Steueranschluss des zweiten Schaltelements zwischen einem Sperrzustand und einem leitenden Zustand umschaltbar ist, wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist, in einem zeitlich außerhalb des Heizbetriebs des jeweiligen Heizdrahtes liegenden Messbetrieb zur allpoligen Abschaltung des jeweiligen Heizdrahtes jeweils das erste Schaltelement und zweite Schaltelement pro Heizdraht in den Sperrzustand zu schalten. Bei dieser Ausgestaltung weist die bereitgestellte Schaltungsanordnung ferner mindestens eine Detektionsschaltung auf. Das Verfahren umfasst die Durchführung des Messbetriebs, bei dem die Kapazität mindestens des einen allpolig abgeschalteten Heizdrahts gegenüber einem Referenzpotenzial durch Beaufschlagung des jeweiligen Heizdrahtes mit einer Wechselspannung einer Wechselspannungsquelle ermittelt wird. Das Referenzpotenzial ist beispielsweise das an einer Referenzelektrode oder der Fahrzeugmasse anliegende elektrische Potenzial. Anhand einer Änderung dieser Kapazität lässt sich beispielsweise eine Annäherung eines Fahrzeuginsassen oder zumindest die Annäherung einer Hand des Fahrzeuginsassen detektieren. Zur Bestimmung einer Kapazität dieser Art sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Erfindungsgemäß werden hier solche Verfahren angewandt, bei denen die Kapazität zuverlässig durch Anlegen einer Wechselspannung an den Heizdraht als Sendeelektrode detektierbar ist. Amplitudenmodulierte Detektionsschaltungen versorgen den durch den Heizdraht gebildeten zu messenden Kondensator mit hochfrequentem Wechselstrom (z. B. 20 kHz) und erfassen den resultierenden Blindstrom.
Bei frequenzmodulierten Detektionsschaltungen wird der zu messende Kondensator mit einer Induktivität zu einem Schwingkreis als Bestandteil eines LC-Oszillators zusammengeschaltet, dessen Frequenz gemessen wird, indem sie mit einer Referenz verglichen wird. Bei einer anderen Variante der frequenzmodulierten Detektionsschaltung ist der Messkondensator Bestandteil eines astabilen Multivibrators. Bevorzugt ist die Detektionsschaltung ausgelegt, im Messbetrieb einen aus der Beaufschlagung mit der Wechselspannung resultierenden Stromverlauf zwischen dem Heizleiter und der Wechselspannungsquelle zu messen, um daraus anhand einer Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und dem Stromverlauf die Kapazität zu ermitteln. Beispielsweise wird der Stromverlauf anhand eines Spannungsabfalls an einem Nebenschlusswiderstand (shunt) unter Signalverstärkung durch einen Messverstärker gemessen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die bereitgestellte Schaltungsanordnung ferner eine Abschirmschaltung auf, die ausgebildet ist, während des Messbetriebs den ersten Steueranschluss des ersten Schaltelements und/oder den zweiten Steueranschluss des zweiten Schaltelements des wenigstens einen allpolig abgeschalteten Heizdrahtes mit der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle zu beaufschlagen. Hierbei soll mit der erneuten Verwendung des Begriffs Wechselspannung darauf abgestellt, dass die im Messbetrieb am Heizdraht anliegende Wechselspannung und die an dem Steueranschluss anliegende Wechselspannung im Wesentlichen in Amplitude, Frequenz und Phase übereinstimmen, um eine optimale Abschirmung zu erreichen. Dabei soll implizit gewährleistet sein, dass die Wechselspannung und/oder das jeweilige Schaltelement so ausgelegt sind, dass ein Schaltvorgang des jeweiligen Schaltelements im Messbetrieb ausgeschlossen ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante dar. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf ein Lenkrad 10 mit mehreren Heizzonen und zugehörigen darin integrierten, zum erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau 1 gehörigen Heizdrähten 2, 2';
Fig. 2 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Schaltungsaufbaus 1.
Figur 1 zeigt die Verwendung des erfindungsgemäßen Schaltungsaufbaus 1 in einem Lenkrad 10 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Mehrere Heizdrähte 2, 2', beispielsweise jeweils ein Widerstandsdraht, wie ein Nickel-Chrom-Draht, sind in die durch den Lenkradkranz ausgebildeten Berührbereich 19 des Lenkrads 10, der auch als Griffbereich bezeichnet werden kann, integriert, um den Berührbereich 19 für einen das Lenkrad 10 ergreifenden Fahrzeuginsassen B durch den in einer Heizstufe in mehreren periodisch abfolgenden Heizbetrieben betriebenen Schaltungsaufbau 1 zu beheizen und um optional eine kapazitive Berühr-bzw. Annäherungsdetektion betreffend die Berührung des Berührbereichs 20, 20' oder Annäherung an den Berührbereich 20, 20' durch die Hand des Fahrzeuginsassen B in einem zeitlich außerhalb des Heizbetriebs betriebenen Messbetrieb des Schaltungsaufbaus 1 durchzuführen. Aus sicherheitstechnischen Überlegungen aber auch um zusätzliche Komfortfunktionen zu realisieren, wird diese kapazitive Berühr- oder zumindest Annäherungsdetektion durch den Schaltungsaufbau 1 durchgeführt, um beispielsweise die sogenannte Hands-On- Detektion durchzuführen, bei der es darum geht, das Ergreifen der Berührfläche 20, 20' zu überwachen, oder die Fahrer-Beifahrer-Erkennung durchzuführen, bei der es beispielsweise darum geht, spezielle Komfortfunktionen sitzpositionsspezifisch zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Wie aus Figur 1 ersichtlich, weist die Berührfläche 19 zwei Zonen 20, 20', die an der Grenze 18 unmittelbar aneinandergrenzen. Die Zonen 20, 20' unterscheiden sich im Wesentlichen hinsichtlich der Materialbeschaffenheit und damit hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit zumindest der die jeweilige äußere Oberfläche und damit die jeweilige Zone 20, 20' der Berührfläche 19 ausbildenden, äußeren Schicht des Lenkradkranzes, beispielsweise handelt es sich um einen Holzwerkstoff einerseits und einen Leder- oder Kunstlederwerkstoff andererseits. Jeder der beiden Zone 20, 20' ist einer der beiden Heizdrähte 2, 2' zugeordnet. Wie Figur 1 andeutet, werden im jeweiligen Heizbetrieb die Heizdrähte 2, 2' mit einem Heizstrom aus den unterschiedlichen Heizpotenzialen VH+, VH- der Heizspannung beaufschlagt. Beispielsweise liegt H- auf Fahrzeugmassepotenzial. Im Messbetrieb wird der Heizdraht 2 durch den erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau 1 mit einer Wechselspannung VAc beaufschlagt.
Um der unterschiedlichen Materialbeschaffenheit der Zonen 20, 20' Rechnung zu tragen und unter Vorgabe einer übereinstimmenden gemeinsamen Oberflächen- Soll-Temperatur der Zonen 20, 20' beim Heizen der Heizdrähte 2, 2' wird die Heizleistung durch für jeden Heizdraht 2, 2' separate und damit spezifische erste pulsweitenmodulierte Steuersignale STI, ST1' eingestellt, wobei sich diese im Tastgrad unterscheiden, wodurch das Verhältnis der Dauer des Heizbetriebs zur Dauer des Nichtheizbetriebs für jeden Heizdraht 2, 2' einstellbar ist und sich damit die Oberflächen-Ist-Temperatur der Zonen 20, 20' maximal um 5°, bevorzugt maximal um 3° von der gemeinsamen Oberflächen-Soll-Temperatur der Heizstufe unterscheidet.
Figur 2 zeigt schematisch den elektrischen Schaltungsaufbau 1 für die mehreren Zonen 20, 20' mit zugehörigen Heizdrähten 2, 2', wobei jeder der Heizdrähte 2, 2' alternierend und periodisch sich wiederholend in einem Heiz- und kapazitiven Messbetrieb betrieben werden. Dazu werden im Heizbetrieb der Heizdraht 2 und der Heizdraht 2' mit einem aus zwei auf den zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen H+, VH- liegenden Polen gespeisten elektrischen Heizstrom durchsetzt, wobei an dem Heizdraht 2 und 2' jeweils eine Heizspannung abfällt.
Die Schaltungsanordnung 1 weist dazu pro Heizdraht 2 bzw. 2' ein erstes Schaltelement 3a bzw. 3a' und ein zweites Schaltelement 3b bzw. 3b' auf. Hier sind die ersten Schaltelemente 3a, 3a' sogenannte High-Side-Schalter, da sie zwischen dem positiven bzw. höheren Heizpotenzial und dem Heizdraht 2 bzw. 2' vorgesehen sind, während die die zweiten Schaltelemente 3b bzw. 3b' als Low- Side-Schalter bezeichnet werden. Erste Schaltelemente 3a, 3a' und zweite Schaltelemente werden jeweils durch einen Feldeffekttransistor, insbesondere einen selbstsperrenden Feldeffekttransistor, bevorzugt einen Metalloxid- Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-FET) ausgebildet, wobei die ersten Schaltelemente 3a, 3a' jeweils durch einen P-Kanal-Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor realisiert sind. Der Heizdraht 2 bzw. 2' ist dabei so mit den ersten Schaltelementen 3a, 3a' und den zweiten Schaltelementen 3b, 3b' verschaltet, dass in dem Heizbetrieb, während dem die ersten Schaltelemente 3a, 3a' und die zweiten Schaltelemente 3b, 3b' zeitgleich in leitendem Zustand sind, das jeweilige erste Schaltelement 3a bzw. 3a' und das jeweilige zweite Schaltelement 3b, 3b' und der jeweilige Heizdraht 2, 2' in Reihe geschaltet sind, so dass die parallel geschalteten Heizdrähte 2, 2' jeweils mit zwei unterschiedlichen, die Heizspannung bereitstellenden Heizpotenziale H+, VH- leitend verbunden sind. Dadurch, dass im Heizbetrieb des jeweiligen Heizdrahtes 2, 2' die ersten Schaltelemente 3a, 3a' und die zweiten Schaltelemente 3b, 3b' durchgeschaltet (leitend) sind, wird der Heizdraht 2 bzw. 2' mit dem Heizstrom durchsetzt. Ist mindestens ein Schaltelement aus erstem Schaltelement 3a bzw. 3a' und zweitem Schaltelemente 3b bzw. 3b' im nicht-leitenden bzw. sperrenden Zustand, liegt kein Heizstrom an. Durch periodisches Umschalten, nämlich durch Ansteuerung wenigstens eines Schaltelements aus erstem Schaltelement 3a, 3a' und zweitem Schaltelement 3b bzw. 3b' mittels eines pulsweitenmodulierten Steuersignals, hier erstes Steuersignal STI bzw. ST1' oder zweites Steuersignal ST2 bzw. ST2' wird jeweils zwischen Heizbetrieb und Nicht-Heizbetrieb der Heizdrähte 2 bzw. 2' umgeschaltet, wobei die unabhängigen, an dem jeweiligen ersten Steueranschluss Ga, G'a der ersten Schaltelemente 3a, 3a' anliegenden, ersten Steuersignale STI bzw. ST1' eine separate Steuerung und damit unabhängige Heizleistungsregelung der Heizdrähte 2 bzw. 2' durch Wahl des Tastgrads der ersten Steuersignale STI bzw. ST1' ermöglichen, da die Dauer des Heizbetriebs die Heizleistung bestimmt. Folglich fällt der Tastgrad der ersten Steuersignale STI bzw. ST1' beim Betrieb in der gemeinsamen Heizstufe unterschiedlich aus und ist unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten der die Zonen 20 bzw. 20' ausbildenden Materialien so gewählt, dass die jeweiligen Oberflächen-Ist-Temperaturen zumindest nach einer angemessenen Aufwärmphase von 10 bis 30 Minuten der für die Heizstufe vorgegebenen Oberflächen-Soll-Temperatur möglichst angenähert ist.
Die ersten Steuersignale STI bzw. ST1' werden aus einem pulsweitenmodulierten Ausgangssignal PWM bzw. PWM' des zentralen, zur Steuerschaltung 12, 6a, 6a', 6b, 6b' gehörigen Mikrocontrollers 12 generiert. Zur Pegelanpassung der Ausgangssignale PWM bzw. PWM' an den erforderlichen Schaltpegel der ersten Schaltelemente 3a, 3a' für jeden Heizdraht 2 bzw. 2' ist jeweils eine ebenfalls zur Steuerschaltung 12a, 6a, 6a', 6b, 6b' gehörige Schaltungskomponente 6a bzw. 6a' aus zwei als Stromspiegel verschalteten Transistoren vorgesehen, welche letztlich das jeweils am ersten Schaltelement 3a, 3a' anliegende pulsweitenmodulierte, erste Steuersignal STI bzw. ST1' erzeugen, nämlich unter Beibehalt der Pulsweitenmodulation und damit der Frequenz des jeweiligen Ausgangssignals PWM bzw. PWM'. Gegenüber herkömmlichen, sogenannten Levelshiftern oder Spannungsmultiplikatoren, wie Ladungspumpen, wird durch die Verwendung eines Stromspiegels eine höhere Flankensteilheit insbesondere über eine vergleichsweise große Variationsbreite der möglichen Tastgrade und damit insbesondere für diverse Oberflächensolltemperaturen erreicht. Dies führt dazu, dass die Heizleistung für die einzelnen Zonen 20, 20' genauer eingestellt werden kann.
Anders als in Figur 2 dargestellt, können die ersten Steuersignale STI bzw. ST1' auch zum zeitgleichen Schalten der zweiten Schaltelemente 3b bzw. 3b' an deren zweiten Steueranschlüssen Gt>, G'b anliegen, was bei der vorliegenden Ausführungsform nicht der Fall ist. Dementsprechend können auch die Schaltungskomponenten 6b und 6b' den Schaltungskomponenten 6a bzw. 6a' entsprechend ausgebildet sein und jeweils zwei als Stromspiegel verschaltete Transistoren umfassen.
Das jeweils am zweiten Steueranschluss Gt>, G'b der zweiten Schaltelemente 3b, 3b' anliegende, zweite Steuersignal ST2, ST2' wird aus dem Ausgangssignal des Mikrocontrollers 12 durch Pegelanpassung mittels der Schaltungskomponenten 6b bzw. 6b' erhalten und ist so gewählt, dass die zweiten Schaltelemente 3b bzw. 3b' innerhalb der durch das erste Steuersignal STI bzw. ST1' jeweils vorgegebenen Nicht-Heizphase (=Sperrzustand der ersten Schaltelemente 3a bzw. 3a') für eine vorgegebene Dauer, möglichst zwischen den Flanken des ersten Steuersignals STI, ST1' in den Sperrzustand geschaltet werden, um eine allpolige Trennung des jeweiligen Heizdrahtes 2 bzw. 2' für einen ungestörten Messbetrieb zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß ist für die Durchführung des Messbetriebs eine Detektionsschaltung 9 vorgesehen, um für jeden Heizdraht 2, 2' in einem zeitlich jeweils außerhalb des Heizbetriebs liegenden Messbetrieb, die Kapazität des jeweiligen Heizdrahts 2 bzw. 2' gegenüber einem Referenzpotenzial, wie der Fahrzeugmasse, durch Beaufschlagung des Heizdrahtes 2 mit einer Wechselspannung VAC einer Wechselspannungsquelle 11, hier ein durch den Mikrocontroller 12 gesteuerten Sinusgenerator, zu ermitteln. Anhand einer Änderung dieser Kapazität lässt sich beispielsweise eine Annäherung eines Fahrzeuginsassen B oder zumindest die Annäherung einer Hand des Fahrzeuginsassen B detektieren. Dabei ist die Detektionsschaltung 9 ausgelegt, im Messbetrieb einen aus der Beaufschlagung mit der Wechselspannung AC resultierenden Stromverlauf zwischen dem Heizleiter 2 und der Wechselspannungsquelle 11 zu messen, um daraus anhand einer Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung AC und dem Stromverlauf die Kapazität zu ermitteln. Im Detail wird der Stromverlauf anhand eines Spannungsabfalls an einem Nebenschlusswiderstand 8 (shunt) unter Signalverstärkung durch einen Messverstärker der Detektionsschaltung 9 gemessen, dessen Messergebnis dem Mikrocontroller 12 übermittelt wird.
Bei dem gezeigten erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau 1 ist ferner eine Abschirmschaltung 7 vorgesehen, die ausgebildet ist, während des Messbetriebs die ersten Steueranschlüsse Ga, G'a der ersten Schaltelemente 3a, 3a' und die zweiten Steueranschlüsse Gb, G'b der zweiten Schaltelemente 3b, 3b' mit der Wechselspannung VAC ZU beaufschlagen. Hierbei wird mit der Verwendung des Begriffs Wechselspannung darauf abgestellt, dass die im Messbetrieb am Heizdraht 2 bzw. 2' anliegende Wechselspannung AC und die an den ersten Steueranschlüssen Ga, G'a und zweiten Steueranschlüssen Gb, G'b anliegende Wechselspannung VAC im Wesentlichen in Amplitude, Frequenz und Phase übereinstimmen, um eine optimale Abschirmung zu erreichen.

Claims

Ansprüche:
1. Elektrischer Schaltungsaufbau (1) für einen Mehrzonen-Heizbetrieb, aufweisend: mehrere parallel aus einer Heizspannung speisbare Heizdrähte (2, 2') zum Erwärmen einer mehrere Zonen (20, 20') umfassenden Berührfläche (19); wobei jeweils ein Heizdraht (2, 2') einer Zone (20, 20') zugeordnet ist; mindestens ein erstes Schaltelement (3a, 3a') pro Heizdraht (2, 2'), das zwischen dem Heizdraht (2, 2') und einem von zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen (VH+, VH-) der Heizspannung so verschaltet ist, dass in einem Heizbetrieb bei leitendem Zustand des ersten Schaltelements (3a, 3a') der jeweilige Heizdraht (2, 2') mit einem Heizstrom beaufschlagt wird und in einem Sperrzustand des ersten Schaltelements (3a, 3a') der Heizstrom unterbrochen wird; eine Steuerschaltung (12, 6a, 6a', 6b, 6b'), die ausgebildet ist, für jeden Heizdraht (2, 2') ein separates, jeweils an einem ersten Steueranschluss (Ga, G'a) des ersten Schaltelements (3a, 3a') anliegendes, pulsweitenmoduliertes, erstes Steuersignal (STI, ST1') zu erzeugen, um das erste Schaltelement (3a, 3a') jeweils zwischen dem leitenden Zustand und dem Sperrzustand umzuschalten; wobei die Steuerschaltung (12, 6a, 6a', 6b, 6b') ferner ausgebildet ist, die mehreren Heizdrähte (2, 2') parallel, überschneidend und/oder alternierend in einer gemeinsamen Heizstufe mit einem jeweils zugehörigen Heizstrom zu beaufschlagen, wobei sich mindestens zwei der ersten Steuersignale (STI, ST1') in ihrem Tastgrad unterscheiden.
2. Elektrischer Schaltungsaufbau (1) gemäß Anspruch 1, wobei sich alle zugehörigen ersten Steuersignale (STI, ST1') in ihrem Tastgrad während der gemeinsamen Heizstufe unterscheiden.
3. Elektrischer Schaltungsaufbau (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (12, 6a, 6a', 6b, 6b') für jeden Heizdraht (2, 2') eine Schaltungskomponente (6a, 6a') aus zwei als Stromspiegel verschalteten Transistoren zur Erzeugung des jeweils am ersten Schaltelement (3a, 3a') anliegenden, pulsweitenmodulierten, ersten Steuersignals (STI, ST1') aufweist.
4. Elektrischer Schaltungsaufbau (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gemeinsame Heizstufe durch eine übereinstimmende Oberflächensolltemperatur der mehreren Zonen (20, 20') charakterisiert ist.
5. Elektrischer Schaltungsaufbau (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Schaltelement jeweils ein P-Kanal-Metalloxid- Halbleiter- Feldeffekttransistor ist.
6. Elektrischer Schaltungsaufbau (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend für mindestens einen Heizdraht (2, 2'), bevorzugt mehrere Heizdrähte (2, 2'), ein zweites Schaltelement (3b, 3b'), welches durch die Steuerschaltung (12, 6a, 6a', 6b, 6b') durch Anlegen des ersten Steuersignals (STI, ST1') oder eines zweiten Steuersignals (ST2, ST2') an einen zweiten Steueranschluss (Gb, G'b) des zweiten Schaltelements (3b, 3b') zwischen einem Sperrzustand und einem leitenden Zustand umschaltbar ist, wobei die Steuerschaltung (12, 6a, 6a', 6b, 6b') ausgebildet ist, in einem zeitlich außerhalb des Heizbetriebs des jeweiligen Heizdrahtes (2, 2') liegenden Messbetrieb zur allpoligen Abschaltung des jeweiligen Heizdrahtes (2, 2') jeweils das erste Schaltelement (3a, 3a') und zweite Schaltelement (3b, 3b') pro Heizdraht (2, 2') in den Sperrzustand zu schalten; ferner aufweisend mindestens eine Detektionsschaltung (9), die ausgebildet ist, in dem Messbetrieb die Kapazität mindestens des einen allpolig abgeschalteten Heizdrahts (2, 2') gegenüber einem Referenzpotenzial durch Beaufschlagung des jeweiligen Heizdrahtes mit einer Wechselspannung ( AC) einer Wechselspannungsquelle (11) zu ermitteln.
7. Elektrischer Schaltungsaufbau (1) gemäß Anspruch 6, ferner aufweisend mindestens eine Abschirmschaltung (7), die ausgebildet ist, während des Messbetriebs die ersten Steueranschlüsse (Ga, G'a) des ersten Schaltelements (3a, 3a') und/oder die zweiten Steueranschlüsse (Gb, G'b) des zweiten Schaltelements (3b, 3b') des wenigstens einen allpolig abgeschalteten Heizdrahtes (2, 2') mit der Wechselspannung ( AC) der Wechselspannungsquelle (11) zu beaufschlagen.
8. Elektrischer Schaltungsaufbau (1) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektionsschaltung (9) ausgelegt ist, im Messbetrieb einen aus der Beaufschlagung mit der Wechselspannung (VAC) resultierenden Stromverlauf zwischen dem jeweilig allpolig abgeschalteten Heizleiter (2, 2') und der Wechselspannungsquelle (11) zu messen, um daraus anhand einer Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung ( AC) und dem Stromverlauf die Kapazität zu ermitteln.
9. Lenkrad (10) für ein Kraftfahrzeug, zumindest teilweise beinhaltend einen elektrischen Schaltungsaufbau (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Heizdrähte (2, 2') in einen Lenkradkranz des Lenkrads (10) integriert sind, welcher die Berührfläche (19) ausbildet.
10. Lenkrad (10) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die sich im Tastgrad unterscheidenden Steuersignale (STI, ST1') jeweils solchen Heizdrähten (2, 2') zugeordnet sind, die sich in einer thermischen Kopplung zwischen dem jeweiligen Heizdraht (2, 2') und der zugeordneten Zone (20, 20') der Berührfläche (19), beispielsweise der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem jeweiligen Heizdraht (2, 2') und der zugeordneten Zone (20, 20') der Berührfläche (19), unterscheiden.
11. erfahren zur Durchführung einen Mehrzonen-Heizbetriebs, aufweisend die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines Schaltungsaufbaus (1) aufweisend mehrere parallel aus einer Heizspannung speisbare Heizdrähte (2, 2') zum Erwärmen einer mehrere Zonen (20, 20') umfassenden Berührfläche (19); wobei jeweils ein Heizdraht (2, 2') einer Zone (20, 20') zugeordnet ist; mindestens ein erstes Schaltelement (3a, 3a') pro Heizdraht (2, 2'), das zwischen dem Heizdraht (2, 2') und einem von zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen (VH+, VH-) SO verschaltet ist, dass in einem Heizbetrieb bei leitendem Zustand des ersten Schaltelements (3a, 3a') jeweils der Heizdraht mit einem Heizstrom beaufschlagt wird und in einem Sperrzustand des ersten Schaltelements (3a, 3a') der Heizstrom unterbrochen wird; eine Steuerschaltung (12, 6a, 6a', 6b, 6b'), die ausgebildet ist, für jeden Heizdraht (2, 2') ein separates, jeweils an einem ersten Steueranschluss (Ga, G'a) des ersten Schaltelements (3a, 3a') anliegendes, pulsweitenmoduliertes, erstes Steuersignal (STI, ST1') zu erzeugen, um das erste Schaltelement (3a, 3a') jeweils zwischen dem leitenden Zustand und dem Sperrzustand umzuschalten;
Heizen in gemeinsamer Heizstufe, bei dem durch die Steuerschaltung (12, 6a, 6a', 6b, 6b') die mehreren Heizdrähte (2, 2') parallel, überschneidend und/oder alternierend in mit einem jeweils zugehörigen Heizstrom beaufschlagt werden und sich mindestens zwei der ersten Steuersignale (STI, ST1') in ihrem Tastgrad unterscheiden.
12. erfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich alle ersten Steuersignale (STI, ST1') in ihrem Tastgrad während des Heizens in gemeinsamer Heizstufe unterscheiden.
13. erfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die sich im Tastgrad unterscheidenden Steuersignale (STI, ST1') jeweils solchen Heizdrähten (2, 2') zugeordnet sind, die sich in einer thermischen Kopplung zwischen dem jeweiligen Heizdraht (2, 2') und der zugeordneten Zone (20, 20') der Berührfläche (19), beispielsweise der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem jeweiligen Heizdraht (2, 2') und der zugeordneten Zone (20, 20') der Berührfläche (19), unterscheiden.
14. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, wobei die gemeinsame Heizstufe durch eine übereinstimmende Oberflächensolltemperatur der mehreren Zonen (20, 20') charakterisiert ist.
15. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, wobei die Steuerschaltung (12, 6a, 6a', 6b, 6b') für jeden Heizdraht (2, 2') eine Schaltungskomponente (6a, 6a') aus zwei als Stromspiegel verschalteten Transistoren zur Erzeugung des jeweils am ersten Schaltelement (3a, 3a') anliegenden, pulsweitenmodulierten, ersten Steuersignals (STI, ST1') aufweist.
16. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, wobei das erste Schaltelement (3a, 3a') jeweils ein p-Kanal-Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor ist.
17. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, wobei die bereitgestellte Schaltungsanordnung (1) eine Detektionsschaltung (9) und für mindestens einen Heizdraht (2, 2'), bevorzugt mehrere Heizdrähte (2, 2'), ein zweites Schaltelement (3b, 3b') aufweist, welches durch die Steuerschaltung (12, 6a, 6a', 6b, 6b') durch Anlegen des ersten Steuersignals (STI, ST1') oder eines zweiten Steuersignals (ST2, ST2') an einen zweiten Steueranschluss (Gb, G'b) des zweiten Schaltelements (3b, 3b') zwischen einem Sperrzustand und einem leitenden Zustand umschaltbar ist, wobei die Steuerschaltung (12, 6a, 6a', 6b, 6b') ausgebildet ist, in einem zeitlich außerhalb des Heizbetriebs des jeweiligen Heizdrahtes (2, 2') liegenden Messbetrieb zur allpoligen Abschaltung des jeweiligen Heizdrahtes (2, 2') jeweils das erste Schaltelement (3a, 3a') und zweite Schaltelement (3b, 3b') pro Heizdraht (2, 2') in den Sperrzustand zu schalten;
Durchführen des Messbetriebs mittels der Detektionsschaltung (9), während dem die Kapazität mindestens des einen allpolig abgeschalteten Heizdrahts (2, 2') gegenüber einem Referenzpotenzial durch Beaufschlagung des jeweiligen Heizdrahtes (2, 2') mit einer Wechselspannung (VAC) einer Wechselspannungsquelle (11) ermittelt wird.
18. erfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die bereitgestellte Schaltungsanordnung (1) ferner mindestens eine Abschirmschaltung (7) aufweist, und während der Durchführung des Messbetriebs die ersten Steueranschlüsse (Ga, G'a) des ersten Schaltelements (3a, 3a') und/oder die zweiten Steueranschlüsse (Gb, G'b) des zweiten Schaltelements (3b, 3b') des wenigstens einen allpolig abgeschalteten Heizdrahtes (2, 2') mit der Wechselspannung ( AC) der Wechselspannungsquelle (12) beaufschlagt werden.
19. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei im Messbetrieb einen aus der Beaufschlagung mit der Wechselspannung (VAC) resultierenden Stromverlauf zwischen dem jeweilig allpolig abgeschalteten Heizleiter (2) und der Wechselspannungsquelle (11) mittels der Detektionsschaltung (9) gemessen wird, um daraus anhand einer Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung (VAC) und dem Stromverlauf die Kapazität zu ermitteln.
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