Die Erfindung betrifft eine Heizung und ein Verfahren zur Steuerung einer Heizung einer Funktionseinheit eines Kraftfahrzeugs.
Heizungen von Funktionseinheiten eines Kraftfahrzeugs erfolgen zum einen elektrisch, indem Heizwiderstände von der Batterie oder dem Generator (Lichtmaschine) gespeist werden, oder zum anderen durch von dem Motor erhitzte Luft. Heizungen eines Kraftfahrzeugaußenspiegels, eines Schlosses oder einer Fensterscheibe erfolgen üblicherweise durch mindestens ein elektrisches Heizelement, dessen Heizleistung beispielsweise durch einen Bedienschalter elektrisch steuerbar ist.
Aus der EP 0 408 853 A2 ist eine Heizung eines Kraftfahrzeugseitenspiegels bekannt, wobei zur Heizung ein Stromfluß durch einen Heizleiter mittels eines Halbleiter-Schalters gesteuert wird. Der Halbleiter-Schalter wird durch einen Temperaturfühler und eine zweistufige Verstärkerschaltung, die sich wie ein Schmitt-Trigger verhält, angesteuert. Dabei bildet der Halbleiter-Schalter eine der beiden Stufen, die für das Schmitt-Triggerverhalten mitgekoppelt sind. Nachteilig an dieser Lösung ist, daß für ein Absinken der Temperatur unter 27°C der Heizstrom bis zum erreichen der Temperatur von 30°C eingeschalten wird, auch wenn eine Heizung für eine freie Sicht zur Spiegelfläche nicht nötig ist. Der Energiebedarf der Heizeinrichtung für das Spiegelglas ist daher unnötig hoch.
Aus der DE 197 05 416 C1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Heizung einer Heckscheibe eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei die Heizung der Heckscheibe zumindest nach einer bestimmten Einschaltdauer abgeschaltet wird. Die bestimmte Einschaltdauer der Heizung der Heckscheibe wird mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges verlängert. Diese Verlängerung der Einschaltdauer kann auch ohne einen Nutzen für den Kraftfahrzeuginsassen zu einer Belastung des Bordnetzes oder der Kraftfahrzeugbatterie führen.
In der DE 91 08 801 U1 wird ein von der Temperatur des Spiegelglases abhängiger Spannungsabfall mittels einer Vergleichseinrichtung mit einem Referenzwert verglichen und ein Schalter der Vergleichseinrichtung wird in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs gesteuert. Der Heizstrom wird hierzu mit einem Referenzwert verglichen. Eine die Vergleichseinrichtung beinhaltende Steuereinrichtung ist für eine Spiegelglasheizung in einem Kfz-Außenspiegel mit einem Heizwiderstand vorgesehen, der mittels eines Schalters an eine Stromquelle schaltbar ist. Der Spannungsabfall an einem vom Heizstrom durchflossenen Widerstand wird von einer Vergleichseinrichtung erfaßt und mit einem Referenzwert verglichen. Der Schalter von der Vergleichseinrichtung wird in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs gesteuert. Die Ausnutzung des Temperaturgangs des spezifischen Widerstandes des Heizwiderstandes soll auf der Tatsache basieren, daß die Temperatur des voll- oder teilflächig auf dem Spiegelglas aufliegenden Heizwiderstandes bei unterbrochenem Heizstrom etwa einem Mittelwert der Temperaturen der verschiedenen Spiegelglasbereiche entspricht. Ein hoch eingestellter Referenzwert oder eine große Herstellungstoleranz des Heizwiderstandes führen wiederum zu einer schlechten Energienutzung der Kraftfahrzeugbatterie.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Heizung und ein Verfahren zur Steuerung der Heizung für eine Funktionseinheit eines Kraftfahrzeugs anzugeben, die den Energiebedarf der Heizung reduziert.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch die Heizung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Demgemäß wird die Heizung der Funktionseinheit durch eine Steuerungsvorrichtung manuell oder automatisch gestartet. Das Starten wird beispielsweise durch eine Bedienung einer manuellen Betätigungseinrichtung, einer Fernbedienung, einem Taster oder Schalter, ausgelöst, wenn der Fahrzeuginsasse erkennt, daß die Heizung der Funktionseinheit für eine ordnungsgemäße Funktionsfähigkeit derselben notwendig ist. Alternativ erfolgt das Starten automatisch, indem die Steuerungsvorrichtung die Heizung generell startet, um eine Funktionsfähigkeit sicherzustellen, oder indem die Steuerungsvorrichtung erkennt, das eine nicht ausreichende Funktionsfähigkeit wahrscheinlich ist. Beispielsweise führt eine erkannte, durch Vereisen verursachte Funktionsunfähigkeit des Türschlosses, zu einem automatischen Starten der Heizung und damit zum Abtauen des Türschlosses.
Eine Isttemperatur oder eine von der Isttemperatur abhängige Kenngröße wird bestimmt. Die Isttemperatur ist abhängig von der Temperatur eines zu heizenden Elementes der Funktionseinheit oder ist abhängig von der Temperatur des heizenden Elementes der Heizung. Die Isttemperatur ist folglich eine bestimmte, vorzugsweise gemessene Eingangsgröße des thermischen Systems aus Heizung und zu heizender Funktionseinheit. Die Isttemperatur ist während des eigentlichen Heizungszeitraumes, also der Zeit der Zuführung von Heizungsenergie zur der aktuellen Heiztemperatur korreliert. Zusätzlich können eine oder mehrere Solltemperatur vorgesehen sein, die als Vergleichsgröße die gewünschte Temperatur der beheizten Funktionseinheit in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsmodi der Heizung abbildet. Als Kenngröße wird eine elektronisch auswertbare Größe, wie die Leistungsaufnahme, Energieaufnahme oder die Leistungsbilanz der Heizung und insbesondere eine Meßgröße, genutzt. In Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen, wie Lufttemperatur oder Wärmeübergangswiderstand etc., kann dabei die Dynamik der Werte, also die zeitliche Abhängigkeit der Kenngröße stark variieren. Die Isttemperatur wird zur Vereinfachung beispielsweise in Binärschritten erfaßt, so daß der Bereich von -40°C bis +87°C in 128 Binärschritte unterteilt wird.
Charakteristische Merkmale des zeitlichen Verlaufs der Isttemperatur, oder der von der Isttemperatur abhängigen Kenngröße dienen zur Auswertung und Steuerung der Heizung. Ein charakteristisches Merkmal ist beispielsweise die Geschwindigkeit des Abkühlens der Funktionseinheit während einer Heizpause. Stagniert beispielsweise die Abkühlung im Bereich 0°C Heiztemperatur, obwohl die Lufttemperatur deutlich unter 0°C liegt, wird von der Steuerungsvorrichtung eine im Prozeß befindliche Vereisung der Funktionseinheit erkannt und zur Steuerung die Heizleistung entsprechend erhöht.
Den Phasenübergang von Wasser bestimmende charakteristische Merkmale dieses zeitlichen Verlaufes werden gemäß der Erfindung ausgewertet. Das Wasser verursacht Funktionsstörungen durch Vereisen oder Beschlagen von den zuvor genannten Funktionseinheiten des Kraftfahrzeugs. Die während der Heizung oder während einer Abkühlungsphase möglicherweise erfolgenden Phasenübergänge des Wasser von der festen zur flüssigen Phase oder zur Dampfphase generieren dabei charakteristische Merkmale des zeitlichen Verlaufs der Isttemperatur, die zur Steuerung der Heizung ausgewertet werden, bis vorzugsweise die durch das Wasser verursachte Funktionsstörung aufgehoben ist. Die den Phasenübergang von Wasser bestimmende charakteristische Merkmale des zeitlichen Verlaufs des Isttemperatur können beispielsweise durch Integration, einfache oder mehrfache Ableitung nach der Zeit, durch Transformation oder Faltung ermittelt werden. Die Bestimmung der Isttemperatur kann hierzu beispielsweise quasi kontinuierlich erfolgen. Vorteilhafterweise werden an die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur angepaßte Meßzeitpunkte verwendet, deren Anzahl in der nähe der Charakteristika zusätzlich variiert werden kann.
Die Auswertung der charakteristischen Merkmale wird folglich zur Steuerung der Heizleistung des Heizelementes genutzt. Dabei können mehrere Kenngrößen zugleich ausgewertet werden. Zur Bewertung oder Auswertung werden die charakteristischen Merkmale in einer ersten Ausgestaltungsvariante direkt zur Steuerung verwendet, so daß ermittelte Werte identisch genutzt werden. Bevorzugt werden in einer zweiten Ausgestaltungsvariante alternativ zur Steuerung Abbildungen oder Transformationen der charakteristischen Merkmale verwendet. Beispielsweise wird ein spezielles charakteristisches Merkmal auf die zugehörige Isttemperatur abgebildet, insbesondere ein Phasenübergang auf die Temperatur des Phasenüberganges transformiert. Diese Transformation kann die Verschiebung des Phasenüberganges in Abhängigkeit von weiteren Parametern, beispielsweise der durch die Fahrgeschwindigkeit erzeugten Konvektion oder des aktuellen Luftdrucks, einbeziehen. In Abhängigkeit von signifikanten Charakteristika werden beispielsweise Schwellwerte und weitere Faktoren, wie Proportionalitätsfaktoren für die Steuerung ermittelt. Insbesondere werden die Schwellwerte und Faktoren auch für ein späteres Starten der Heizung, zum Beispiel nach 24 Stunden, mit der zugehörigen Auswertung und Steuerung verwendet.
Wird das Verfahren beziehungsweise die Steuerungsvorrichtung für einen Kraftfahrzeugseitenspiegel oder eine Verbundglasscheibe beispielhaft verwendet, wird vorteilhafterweise sichergestellt, daß eine kritische Isttemperatur, die zur Zerstörung der Funktionseinheit führen könnte, nicht erreicht wird, indem die Heizung anhand der charakteristischen Merkmale gesteuert, vorzugsweise die Heizleistung vor Erreichen der kritischen Isttemperatur oder nach erfolgtem Phasenübergang heruntergeregelt oder die Heizung vollständig abgeschalten wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung geht die Heizung nachfolgend in einen zweiten Modus über. In diesem zweiten Modus sind unterschiedliche Betriebsarten möglich. Zur Reduzierung des Energiebedarfs der Heizung wird die Heizung vorteilhafterweise abgeschalten, heruntergeregelt, auf eine konstante Temperatur geregelt oder in bestimmten Zyklen temporär ein- und ausgeschalten. Auch können diese Betriebsarten mit einem zuvor genannten Monitoring kombiniert werden. Die Betriebsart oder eine Kombination mehrerer Betriebsmodi hängt insbesondere von der Funktionseinheit und von äußeren Umgebungsbedingungen, wie Regen, Schnee etc. ab.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Isttemperatur oder die von der Isttemperatur abhängige Kenngröße vor und/oder nach einem Heizungszeitraum bestimmt wird. So erfolgt zumindest außerhalb der Heizungszeiträume, vorzugsweise auch während derselben ein Monitoring der Isttemperatur was vorteilhaft zur Erhöhung oder Reduktion der Heizleistung, zum Ein- und Ausschalten der Heizung genutzt werden kann. Vorzugsweise wird vor dem Heizungszeitraum der Phasenübergang von Wasser bestimmt und in Abhängigkeit von dem bestimmten Phasenübergang die Heizung automatische gestartet oder die Heizleistung erhöht. Die ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da während der Fahrt schnelle äußere Temperaturwechsel, beispielsweise bei einer Fahrt in den Bergen zu einer Vereisung eines nassen Kraftfahrzeugseitenspiegels führen können.
Ist die Heizung dagegen nur während einer eigentlichen Heizphase mit Strom versorgt, um während der nicht-aktiven Zeiten den Stromverbrauch zu minimieren, beispielsweise bei abgeschalteter Zündung, wird in einer alternativen Weiterbildung der Erfindung die Isttemperatur oder die von der Isttemperatur abhängige Kenngröße nur während eines Hiezungszeitraumes bestimmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerungsvorrichtung Mittel zur Auswertung unterschiedlicher Isttemperaturanstiegsgeschwindigkeiten als charakteristische Merkmale auf. In dem zuvor genannten Beispiel einer Verbundglasscheibe, die "beschlagen" ist, auf der sich also kleine Wassertröpfchen angelagert haben, wird die Heizung bis zum Erreichen der Verdampfungstemperatur, beispielsweise 50°C betrieben.
Nach einer wieder erhöhten Isttemperaturanstiegsgeschwindigkeit wird die Isttemperatur durch eine entsprechende Regelung konstant gehalten, da die Tröpfchen von der Oberflächen der Scheibe bereits evaporiert sind. Als Mittel wird vorzugsweise ein analoges oder digitales Rechenwerk, insbesondere eine arithmetrische logische Einheit mit Differenz- und Divisionsfunktionen oder -algorithmen, verwendet. Die Dynamik des Temperaturanstiegs während der Heizphase oder des Temperaturabfalls während der Heizpause oder einer Abkühlungsphase wird so besonders vorteilhaft ausgewertet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Heizelement ein temperaturabhängiger Heizwiderstand, der zur Heizung von einem Heizstrom durchflossen wird. Als Kenngröße wird besonders vorteilhaft der temperaturabhängige Heizwiderstand oder eine vom temperaturabhängigen Heizwiderstand abhängige Meßgröße bestimmt. Zur Bestimmung des Heizwiderstandes eignen sich beispielsweise eine temporäre Verschaltung als Meßbrücke, Schwingkreis oder dergleichen. Hierzu ist der temperaturabhängige Heizwiderstand mit der Steuerungsvorrichtung verbunden. Die Heizleistung wird in Abhängigkeit von der bestimmten Meßgröße oder dem bestimmten Heizwiderstand, der mit einem Steuerelement der Steuerungsvorrichtung verbunden ist, gesteuert. Üblicherweise wird ein Heizwiderstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten verwendet. Es ist alternativ auch die Verwendung eines Heizwiderstandes aus Halbleitermaterial mit einem entsprechend negativen Temperaturkoeffizienten möglich.
Aufgrund der großen Herstellungstoleranzen des Heizwiderstandes, sowie dessen Alterungseffekte und Veränderungen des Temperaturkoeffizienten des Heizwiderstandes während der Herstellung als auch der Lebensdauer desselben, ist die Messung des Heizwiderstandes selbst als Eingangsmeßgröße zur Heizungssteuerung nur erfindungsgemäß zuverlässig möglich. Erst die Einbeziehung des grundlegenden physikalischen Effektes des Phasenüberganges von Wasser ermöglicht, unabhängig von Herstellungs- und Alterungstoleranzen dieses Meß-Heizwiderstandes den aktuellen thermischen Zustand der Funktionseinheit zuverlässig zu detektieren. Wird ein Phasenübergang erkannt, werden die Meßwerte des Meß-Heizwiderstandes zu diesem Phasenübergang erneut ins Verhältnis gesetzt oder die Steuerung erfolgt ausschließlich anhand der aktuellen Bestimmung eines Phasenüberganges anhand der Charakteristika.
Zur Steuerung der Heizung wird in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung zusätzlich die zeitliche Änderung des Heizwiderstandes oder der vom Heizwiderstand abhängigen Meßgröße ausgewertet. Die Steuerungsvorrichtung weist dafür Mittel, beispielsweise Speicher und Vergleicher, zur Auswertung der zeitlichen Änderung des Heizwiderstandes oder der vom Heizwiderstand abhängigen Meßgröße auf. Wird beispielsweise ein Mikrocontroller zur Bestimmung der zeitlichen Änderung verwendet, ist mit dem Mikrocontroller eine Uhr, ein Zeitgeber oder ein Impulsgeber verbunden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Wert des Heizwiderstandes oder der vom Heizwiderstand abhängigen Meßgröße für ein Minimum der zeitlichen Änderung (dRH/dt) bestimmt. Dieser bestimmte Wert dient für die weitere Auswertung und auch nachfolgenden Auswertungen als Vergleichswert. Vorzugsweise wird aus dem Wert mindestens ein Schwellwert zur Steuerung bestimmt. Wird der Wert über mehrere zeitlich versetzte Bestimmungen gewonnen, werden mehrere dieser Werte fortfolgend gemittelt, um Langzeiteffekte mit auswerten zu können. Vorteilhafterweise wird der Wert für eine Schmelztemperatur (0°C) gespeichert. So werden besonders einfach Vereisungen der Funktionseinheit von der Steuerungsvorrichtung ermittelt.
Weiterhin ist von Vorteil, daß die Schwellwerte oder der Wert in der Weiterbildung mit dem Heizwiderstand oder der Meßgröße durch einen Vergleicher verglichen werden. Die Ausgangsgröße ist dann beispielsweise ein binäres Signal anhand dessen die Heizung gesteuert wird. Auch kann die Ausgangsgröße ein Teil eines Algorithmus sein, mit dem die Heizung entsprechend auf-, beziehungsweise abgeregelt wird. Für eine besonders einfache Auswertung wird der Heizwiderstand oder die Meßgröße durch einen Fensterkomparator als Vergleicher mit einem oberen Schwellwert und einem unteren Schwellwert verglichen. Demgemäß wird die Heizung bei Überschreitung des oberen Schwellwertes ausgeschalten und bei Unterschreiten des unteren Schwellwertes wiederum eingeschalten. Die Schwellwerte werden vorteilhafterweise analog der Auswertung der Änderungsgeschwindigkeit ermittelt.
Die Einbeziehung des Temperaturkoeffizienten des Heizwiderstandes in die Auswertung erfolgt in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung. Der Temperaturkoeffizient wird zuvor meßtechnisch, beispielsweise in einer Wärmekammer, für ein Widerstandsmaterial einer Serie ermittelt. In Abhängigkeit von dem Wert und des Temperaturkoeffizienten des Heizwiderstandes wird die Heizung gesteuert. Vorteilhafterweise wird dabei mittels des Wertes und des Temperaturkoeffizienten aus dem Heizwiderstand die Isttemperatur oder eine von der Isttemperatur abhängige Kenngröße bestimmt. Die Isttemperatur ist nun direkt mit der Temperatur der Umgebungsluft, die mittels eines Temperatursensors des Kraftfahrzeugs ermittelt wird, vergleichbar.
Zur Steuerung der Heizung bieten sich eine Vielzahl erfindungsbezogener Verfahren an. Für einen Heizwiderstand können als steuerbare Größen die Heizspannung oder der Heizstrom variiert, insbesondere geschalten oder geregelt werden. Um die Verlustleistung der Steuerung möglichst klein zu halten, wird zur Steuerung der Heizung der Heizstrom in Intervallen geschalten. Die Intervalle sind zur Regelung der Temperatur vorzugsweise in ihrer Dauer variabel. Wird eine schnellere Regelung, insbesondere im Bereich kritischer Heiztemperaturen benötigt, so wird vorteilhafterweise zur Steuerung der Heizung der Heizstrom mittels einer Pulsweitenmodulation geregelt.
Um eine Vereisung der Funktionseinheit zu verhindern wird für eine abfallende Temperatur der Funktionseinheit im Bereich um 0°C die Heizleistung erhöht. Die Erhöhung der Heizleistung wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit von der Detektion einer Eisbildung eingeschalten. Die Detektion der Eisbildung erfolgt dabei durch signifikante Charakteristika des zeitlichen Verlaufs der Heiztemperatur über der Zeit.
Zusätzlich wird vorteilhafterweise ein von der Heizung unabhängiger, eine Lufttemperatur messender Temperatursensor des Kraftfahrzeugs zur Steuerung der Heizung zusätzlich ausgewertet. Werden die Scheibenwischer über eine längere Zeitspanne nicht betätigt, so wird die Heizung der Funktionseinheit für eine Lufttemperatur oberhalb des Bereiches um 0°C nicht eingeschalten, da die Steuervorrichtung weder Regen noch Eis erwartet, die die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen könnten. Ist die Funktionseinheit dennoch nicht funktionsfähig, weil beispielsweise der Kraftfahrzeugseitenspiegel mit Tau bedeckt ist, ist der manuelle Start der Heizung durch einen Kraftfahrzeuginsassen dennoch möglich.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen bezugnehmend auf zeichnerische Darstellungen näher erläutert.
Dabei zeigen
Fig 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugseitenspiegels KSS. Auf der Rückseite der Spiegelschicht sind mehrere Heizwiderstände RH1, RH2 und RH3 in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Die Heizwiderstände RH1, RH2 RH3 und umfassen dabei einen möglichst großen Bereich der effektiven Spiegelschicht zur Erwärmung. Zur Heizung werden die Heizwiderstände RH1, RH2 RH3 je nach Steuerung einzeln, in Reihe oder parallel geschalten. Einer der Heizwiderstände RH1, RH2 RH3 wird temporär als Meßwiderstand geschalten und dessen Widerstandswert, der von der Isttemperatur im Idealfall linear abhängig ist, gemessen.
In Fig 1a ist ein schematischer Verlauf (als dickere schwarze Linie) des Heizwiderstandes RH (auf der z-Achse) über der Zeit t (auf der x-Achse) in Form eines Diagramms dargestellt. Der Verlauf ist dabei rein beispielhaft. In Abhängigkeit von Wärmeübergangswiderständen, Wärmekapazitäten, Luftdruck, Umgebungstemperaturen und weiteren Einflüssen kann der Verlauf, insbesondere dessen Widerstandsänderungen und die Zeitlängenverhältnisse, variieren. Es wird zudem zunächst angenommen, daß die Widerstandsänderung des gemessenen Heizwiderstandes RH proportional zur Änderung der Heiztemperatur, also der Isttemperatur während einer Heizphase ist.
Zum Zeitpunkt t0 wird die Heizung des Kraftfahrzeugspiegels eingeschalten. Der Heizwiderstand RH zum Einschaltzeitpunkt t0 ist RHon. Es wird in diesem speziellen Fall angenommen, daß die Temperatur des Kraftfahrzeugspiegels zum Einschaltzeitpunkt t0 unter 0°C liegt. Zudem ist angenommen, daß der Kraftfahrzeugspiegel vereist ist und das auf der Spiegelfläche haftende Eis die Sicht des Kraftfahrzeuginsassen behindert. Die eingeschaltene Heizung führt zu einer Erwärmung des Kraftfahrzeugspiegels und des Eises.
Zum Zeitpunkt tm1 wird die Schmelztemperatur des Eises erreicht. Weiteres Heizen führt vorerst nur zu einem geringen Heiztemperaturanstieg des Kraftfahrzeugspiegels. Der größere Teil der Heizenergie wird zur Phasenumwandlung des Eises in Schmelzwassers und damit zum Abtauen des Kraftfahrzeugspiegels genutzt. Zum Zeitpunkt tm2 ist das Eis im wesentlichen abgetaut. Zwischen den Zeitpunkten tm1 und tm2 steigt der Heizwiderstand RH lediglich um den Betrag ΔRHm. Die erste Zwischen phase zwischen Eis und Schmelzwasser ist in Fig 1a schraffiert dargestellt.
Die folgende Energiezufuhr führt, da keine Phasenumwandlung stattfindet, zu einer Erwärmung des Kraftfahrzeugspiegels und des Schmelzwassers. Sicherlich wird ein Teil des Eises und Schmelzwassers bereits vom Kraftfahrzeugspiegel abgetropft sein, so das die Anstiegsgeschwindigkeit der Heiztemperatur nach dem Zeitende der Schmelzung tm2 von der Anstiegsgeschwindigkeit vor dem Schmelzbeginn tm1 abweichen kann.
Die zweite Zwischenphase wird durch die Verdampfung von Wasser verursacht, das die Spiegeloberfläche bedeckt. Zur Trocknung des Spiegels ist dabei eine Heiztemperatur deutlich unter 100°C ausreichend. Zusätzliche Effekte, die die Trocknung beeinflussen können, sind z.B. der Fahrtwind oder die mikroskopische Oberflächenstruktur bzw. Oberflächenenergien der Spiegeloberfläche. Die Dauer vom Beginn te1 bis zum Ende te2 der Verdampfungsphase weicht im Normalfall von der ersten Zwischenphase (Schmelzphase) aufgrund der Umgebungseinflüssen ab und kann länger oder kürzer als die Schmelzphase dauern. Analog weicht die Heizwiderstandsänderung ΔRHe der Evaporationsphase von der Heizwiderstandsänderung ΔRHm der Schmelzphase u.U. ab.
Nachfolgend führt eine weitere Energiezufuhr zu einer weiteren Erhöhung der Heiztemperatur, wie in Fig 1a gestrichelt angedeutet ist. Eine weitere Erhöhung der Heiztemperatur ist jedoch oft unerwünscht und hat ggf. keinen weiteren Nutzen für den Fahrzeuginsassen. Zur Steuerung der Heizung werden Schwellwerte ThR1 und ThR2 festgelegt und mit dem aktuellen Heizwiderstandwert RH verglichen. Weitere Schwellwerte werden vorteilhafterweise anhand eines Wertes des Heizwiderstandes RH im Bereich der Zwischenphasen ΔRHm, ΔRHe bestimmt.
Zur Bestimmung dieser weiteren Schwellwerte wird, wie in Fig 1b dargestellt ist, vorteilhafterweise die zeitliche Änderung dRH/dt des Heizwiderstandes RH ausgewertet. Fig 1b ist wiederum eine schematische Darstellung analog der Fig 1a und demgemäß unter realen Bedingungen aufgrund wechselnder Umgebungseinflüsse starken Schwankungen unterworfen. Die Flankenwechsel der zeitlichen Änderung dRH/dt werden zur Triggerung einer Auswertung genutzt, so daß zu den Flankenwechseln der Heizwiderstand RH bestimmt wird und dessen Wert für eine gleichzeitige oder spätere Steuerung der Heizung gespeichert wird. Zusätzlich werden vorteilhafterweise die Zeitwerte tm1, tm2, te1, te2 sowie die Zeitdifferenzen (tm2 - tm1, te2 - te1) gespeichert und in Verbindung mit den Schwellwerten ThR1,ThR2 etc. zur Steuerung ausgewertet. Beispielsweise wird für eine nur geringe Zeitdifferenz zwischen te2 - te1 und den Schwellwerten ThR1 und ThR2 durch die Auswertung derart interpretiert, daß auf der Spiegeloberfläche sich keine Feuchtigkeit befindet und die Heizung für einen längeren Zeitraum abzuschalten ist.
Fig 1b zeigt schematisch, daß die Anstiegsgeschwindigkeiten dRH/dt der beiden Zwischenphasen, der Schmelzphase und der Verdampfungsphase unterschiedlich sein können. Auch die Anstiegsgeschwindigkeiten dRH/dt der Heizphasen vor bzw. nach den Zwischenphase sind u.U. unterschiedlich. Zur Steuerung werden weitere Schwellwerte Thm und The vorgegeben oder bestimmt, die zur Auswertung mit der Anstiegsgeschwindigkeiten dRH/dt verglichen werden. Eine Steuerung der Heizung kann zusätzlich oder alternativ in Abhängigkeit von der Anstiegsgeschwindigkeit dRH/dt und den Schwellwerten Thm und The erfolgen.
In Fig 2 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Steuerungsvorrichtung IC zum Steuern der Heizung beispielsweise des Kraftfahrzeugseitenspiegels KSS dargestellt. Die Steuerungsvorrichtung IC ist über einen CAN Bus oder einen anderen Bus, wie VAN, Token Ring, etc. mit weiteren Funktionseinheiten EX des Kraftfahrzeugs verbunden. Über den CAN Bus werden der Steuerungsvorrichtung IC weitere Daten, beispielsweise über die Betätigung eines Scheibenwischers zur Verfügung gestellt. Aus der Betätigung des Scheibenwischers wird von der Steuerungsvorrichtung IC in die Auswertung einbezogen, indem beispielsweise auf Regen geschlossen und der Spiegel zumindest temporär bis zur Verdampfungstemperatur erhitzt wird. Weiterhin ist die Steuerungsvorrichtung IC vorteilhafterweise mit einer Eingabevorrichtung zur manuellen Betätigung von Heizfunktionen verbunden.
Die Steuerungsvorrichtung IC ist in Reihe mit dem Heizwiderstand RH, der vom Heizstrom IH durchflossen wird, verbunden und an die Batteriespannung UB, beziehungsweise an Masse GND angeschlossen. Zur Steuerung weist die Steuerungsvorrichtung IC einen Schalter S mit einem verbundenen, zugehörigen Treiber D auf. Der Treiber D ist wiederum mit einer Recheneinheit EU der Steuerungsvorrichtung IC verbunden. Eine Meßeinheit MU der Steuerungsvorrichtung IC ist ebenfalls mit dem Heizwiderstand RH verbunden. Mit der Meßeinheit MU kann beispielsweise eine Spannung oder ein Strom bestimmt werden. Die Meßeinheit MU ist zudem mit der Recheneinheit EU zur Auswertung der Meßwerte verbunden. Zur Bestimmung des temperaturabhängigen Heizwiderstandes RH oder der Meßgröße wird der Heizwiderstand RH zumindest temporär als Element beispielsweise einer Meßbrücke geschalten, die Teil der Meßeinheit MU ist. Alternativ zu Fig 2 kann die Meßeinheit MU auch mit einem, in Fig 2 nicht dargestellten, Temperatursensor wirkverbunden sein, der mit dem Heizwiderstand RH oder der zu heizenden Funktionseinheit thermisch gekoppelt ist.
Alternativ wird zur Bestimmung des temperaturabhängigen Heizwiderstandes RH oder der Meßgröße der Heizwiderstand RH zumindest temporär als Element eines Schwingkreises geschalten. Der Schwingkreis ist dabei ein Teil der Meßeinheit MU. Der Heizwiderstand RH wird mittels der Frequenz des Schwingkreises bestimmt. Neben diesen Ausgestaltungen können auch weitere Meßverfahren und Meßeinheit MU zur Bestimmung des Heizwiderstandes RH genutzt werden
Wird die Steuerungsvorrichtung aus rein analogen Elementen aufgebaut, kann die Auswertung und Steuerung zeitkontinuierlich erfolgen. Vorteilhafterweise wird die Steuerungsvorrichtung neben den analogen Elementen mit einer digitalen Recheneinheit zur Auswertung und Steuerung ausgestattet. Dies ermöglicht die Berechnung von komplexen Funktionen und Einbeziehung von temperaturunabhängigen Faktoren, wie die Betätigung eines Scheibenwischers, in die Auswertung. In diesem Fall ist die Recheneinheit mit einem Speicher M, insbesondere ein nicht-flüchtiger Speicher (EEPROM), zur Speicherung beispielsweise der Schwellwerte Thm und The verbunden.
Zusätzlich weist die digitale Steuerungsvorrichtung IC eine Uhr C, einen Zeitgeber C oder Impulsgeber C als Zeitbasis auf. Die Zeitbasis C dient zum einen zum Takten der digitalen Elemente der Steuerungsvorrichtung IC, also auch zur Bestimmung oder Berechnung der Zeiten t0, tm1, tm2, te1 und te2. Die Bestimmung der Meßwerte der Meßeinheit MU erfolgt dabei zeitdiskret. Aus der Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden zeitdiskreten Meßwerten wird beispielsweise die zeitliche Änderung dRH/dt des Heizwiderstandes beziehungsweise der Heiztemperatur bestimmt.
Detailliertere schematische Ausführungsbeispiele einer Steuerungsvorrichtung IC sind in Fig 3a und Fig 3b dargestellt. Fig 3a zeigt eine konventionelle Lösung aus Einzelbauelementen. Der Heizwiderstand RH ist mit einem Shunt-Widerstand RS oder Meßwiderstand RS in Reihe verbunden. Der Shunt-Widerstand RS ist von dem Heizwiderstand RH thermisch entkoppelt und weist im Idealfall keine oder nur eine geringe Temperaturabhängigkeit auf. Aus dem Heizstrom IH und einer Heizspannung UB - URs wird der Heizwiderstand RH bestimmt. Der Heizstrom IH wird aus URs/RS bestimmt. Der Spannungsabfall am Shunt-Widerstand RS wird vom Analog-Digital-Umsetzer ADC in digitale, diskrete Meßwerte gewandelt und von der Recheneinheit EU ausgewertet. Die Recheneinheit EU weist ein Zählwerk C1 auf, das mit einem Schwingquarz Q1 zur Erzeugung einer Zeitbasis verbunden ist. Die Recheneinheit EU mit dem Zählwerk C1 ist vorteilhafterweise ein Mikrocontroller.
Ein Ausgang des Mikrocontrollers EU ist mit einem PNP-Transistor D1 zum Treiben der Relaisspule LS1 verbunden. Mit der Relaisspule LS1 ist ein Relaisschalter S1 mechanisch gekoppelt, mit dem der Heizstrom IH in zu steuernden Heizintervallen, schaltbar ist. Weiterhin ist der Mikrocontroller EU über einen BUS mit einem externen Temperatursensor eTS verbunden, der die Lufttemperatur der Umgebung mißt. Der externe Temperatursensor eTS wird dazu genutzt, für Lufttemperaturen oberhalb des Gefrierpunktes (0°C) die Heizung nicht einzuschalten, da sich kein Eis auf dem Spiegel vorhanden ist, das die Sicht des Fahrzeuginsassen beeinträchtigt.
Fig 3b zeigt eine Lösung, die eine Integration der Steuerungsvorrichtung IC in einer sogenannte Smart-Power-Technologie ermöglicht. Hierzu weist die Steuervorrichtung IC einen integrierten Schaltkreis mit einem Controller EU und einem, vom Controller EU steuerbaren Leistungshalbleiter LT1 in Smart-Power-Technologie auf. Die Steuerungsvorrichtung IC ist wiederum über einen BUS mit weiteren Funktionseinheiten, wie eine Uhr eCLK und einen Lufttemperatursensor eTS, des Kraftfahrzeugs verbunden. Die Recheneinheit EU ist wiederum mit einem Analog-Digital-Umsetzer ADC zur Erfassung der Meßwerte verbunden.
Zur Steuerung weist die Recheneinheit EU Mittel für eine Puls-Weiten-Modulation PWM auf. Der Ausgang OUTLT1 der Recheneinheit EU mit den puls-weiten-modulierten Steuersignalen ist mit dem Gate eines Leistungs-MOSFETs LT1 zur Steuerung der Heizung verbunden. Zur Generation eines Meßsignals weist die Steuerungsvorrichtung IC eine im wesentlichen temperaturunabhängige Konstantstromquelle SIK auf, die zumindest temporär mit dem Heizwiderstand RH verbunden ist. Der Konstantstrom IK der Konstantstromquelle SIK erzeugt eine heiztemperaturabhängige Meßspannung UM, die von der Analog-Digital-Umsetzer ADC gemessen wird. Die Konstantstromquelle SIK ist über den Steuerausgang OUTSIK der Recheneinheit EU, beispielsweise zur Reduktion des Ruhestroms steuerbar. Vorteilhafterweise besteht der Leistungtransistor LT1 und die Konstantstromquelle SIK aus einem einzigen MOSFET, dessen Gate-Spannung für einen Konstantstrom IK oder für den vollen Heizstrom IH entsprechend variiert wird. Alternativ zu dem dargestellten Low-Side-Treiber LT1 wird ein High-Side-Treiber verwendet, so daß der Heizwiderstand RH zwischen High-Side-Treiber und Masse GND angeschlossen ist.
Um mehrere Heizungen, die auch verschiedene Funktionseinheiten beheizen können, durch die Steuerungsvorrichtung IC zu steuern, weist die Steuerungsvorrichtung IC einen, in den Figuren nicht dargestellten, Mulitplexer auf, der die Meßeinheit MU der Steuerungsvorrichtung IC mit dem zu messenden Heizwiderstand RH zyklisch verbindet. Zusätzlich weist die Steuerungsvorrichtung IC mehrere Leistungtransistoren LT1 auf, um die einzelnen Heizströme IH zu steuern.
Ein schematischer Verfahrensablauf, in Form eines Flußdiagrammes eines Teils eines Programmes der Recheneinheit EU ist in den Figuren Fig 4 und Fig 4' dargestellt. Dabei ist die Fig 4' lediglich die Fortsetzung der Fig 4. In Schritt 1 wird die Heizung gestartet. Das Starten der Heizung erfolgt beispielsweise durch den Fahrzeuginsassen, der das auf dem Kraftfahrzeugseitenspiegel haftende Eis auftauen möchte. Alternativ kann die Heizung auch automatisch gestartet werden, wenn die Außentemperatur der Luft beispielweise unter 0°C liegt oder die eingeschaltenen Scheibenwischer Regen signalisieren.
Schritt 2 ermöglicht die Abfrage ob ein äußerer Parameter Tex unterhalb eines Schwellwertes Texth liegt. Beispielsweise ist der äußere Parameter Tex eine Außentemperatur, oder eine Information, daß das Kraftfahrzeug in einer Garage gestanden hat. In Schritt 3 wird die Heizung dementsprechend gestoppt. In Schritt 4 erfolgt eine Sicherheitsabfrage. Liegt die Heiztemperatur TS über einem Schwellwert TSmax, der die maximal zulässige Heiztemperatur darstellt, wird die Heizung in Schritt 5 sofort gestoppt. Andernfalls, wenn TS<TSmax wird die Heizung in Schritt 6 gesteuert und elektrische Leistung in Wärme gewandelt.
Nach einer bestimmten Heizdauer wird in Schritt 7 die zeitliche Änderung dRH/dt des Heizwiderstandes RH ausgewertet und die zeitliche Änderung dRH/dt mit einem Schwellwert Thm für das Schmelzen des Eises verglichen. Ist die zeitliche Änderung dRH/dt größer als der Schwellwert Thm, folgen wiederum die Schritte 4 und 5 beziehungsweise 6 und nach eine bestimmten Heizdauer wiederum 7. Ist die zeitliche Änderung dRH/dt kleiner als der Schwellwert Thm, wird der aktuelle Wert des Heizwiderstandes RH(t) als Schwellwert RHm gespeichert. Danach folgen die Schritte 4' und 5' beziehungsweise 6' analog den Schritten 4, 5 und 6.
In Schritt 9 wird wiederum die zeitliche Änderung dRH/dt des Heizwiderstandes RH ausgewertet und die zeitliche Änderung dRH/dt mit dem Schwellwert Thm verglichen. Ist die zeitliche Änderung dRH/dt des Heizwiderstandes RH wesentlich größer als der Schwellwert Thm, wird der aktuelle Wert des Heizwiderstandes RH(t) als Schwellwert ThR1 gespeichert. Die Schritte 4", 5" und 6" gelten analog den Schritte 4, 5 und 6.
Schritt 12 ist analog Schritt 7 zu betrachten. In Schritt 12 wird die zeitliche Änderung dRH/dt mit einem Schwellwert The für die Verdampfung auf dem Spiegel haftende Feuchtigkeit verglichen. Der aktuelle Wert des Heizwiderstandes RH(t) wird als Schwellwert ThR2 oder als Verdampfungswert RHe gespeichert. In folgenden, nicht dargestellten Schritten kann die Heizung beispielsweise abgeschalten werden. Die gespeicherten Schwellwerte Thm, The, ThR2 und ThR1 dienen zur Auswertung und Steuerung späterer Heizvorgänge, beispielsweise nach einem Neustart des Kraftfahrzeugs.
Wird beispielsweise das Kraftfahrzeug neu gestartet, wird (die folgenden Verfahrensschritte sind nicht in den Figuren enthalten) die Außentemperatur als unter 0°C detektiert. Der Heizwiderstand RH wird zur Erwärmung bestromt. Nimmt beim Erreichen des Schwellwertes RHn die zeitliche Änderung dRH/dt des Heizwiderstandes RH nicht ab, beispielsweise unter den Schwellwert Thm, so wird die Heizung gestoppt. Der Spiegel ist offensichtlich nicht vereist.
Alternativ zu den zuvor genannten bevorzugten Weiterbildungen wird die Heiztemperatur durch einen mit der Funktionseinheit thermisch gekoppelten Heiztemperatursensor bestimmt. Der Heiztemperatursensor kann unabhängig von Fertigungstoleranzen des Heizwiderstandes gefertigt werden und damit eine besonders genaue Bestimmung der am Heiztemperatursensor gemessenen Isttemperatur. Hierzu ist jedoch eine sehr gute thermische Kopplung zwischen Heizwiderstand und Heiztemperatursensor nötig.