Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Stromstärke des von einem elektrischen Heizkörper einer Belüftungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlage für Fahrzeuge verbrauchten Stroms.

Derzeit werden bestimmte elektrische Heizorgane für eine Belüftungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlage für den Insassenraum von Kraftfahrzeugen, wie etwa elektrische Heizkörper, mit Mitteln zum Messen des verbrauchten Stroms versehen, der von jedem ihrer Heizelemente, auch Phasen genannt, verbraucht wird. Diese Mittel sind insbesondere bei der Energieverwaltung des Fahrzeugs nützlich. Die Messgenauigkeit ist somit hoch, um eine Rückinformation zu liefern, die repräsentativ ist für den Betrieb des Heizkörpers.

Unter den angewendeten Techniken sei die DE 100 61 458 genannt, worin ein Transistor Anwendung findet, der unter seinen Funktionalitäten die Möglichkeit bietet, die Stromstärke des diesen durchfließenden Stroms und damit den Stromverbrauch des Heizkörpers direkt anzugeben. Der Transistor ist entweder im Luftstrom nahe der Heizelemente oder außerhalb des Luftstroms beispielsweise nahe einem Steuerkreis des Heizkörpers positioniert. Auch ist es möglich, ein Messelement zu verwenden, das direkt zur Stromquelle hinzugefügt ist. In diesen beiden Fällen wird ein Mikrokontroller verwendet, um den Verbrauch eines jeden Heizelements aufzuaddieren, um auf den Gesamtstromverbrauch des Heizkörpers zu schließen.

Diese Techniken sind jedoch begrenzt und mit Nachteilen behaftet. Zunächst ist die Messgenauigkeit gering, es sei denn, es erfolgt ein Phasenabgleich zum Zeitpunkt der Herstellung der Vorrichtung, wobei diese im allgemeinen keine dauerhaft zuverlässigen Ergebnisse erbringt. In bestimmten Fällen ist auch der Aufwand unwirtschaftlich, insbesondere aufgrund der Verwendung eines Transistors, der unter seinen Funktionalitäten die Möglichkeit bietet, die Stromstärke direkt anzugeben.

Um diese Problematik zu lösen, schlägt die Erfindung vor, einen Messfühler in das elektrische Heizorgan in nicht intrusiver Weise zu integrieren, ohne dabei den Messfühler in Reihe mit dem zu messenden Strom zu schalten und somit ohne Leitungs- und Stromverlust.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Messen der Gesamtstromstärke des Stroms, der von zumindest einem Heizelement eines elektrischen Heizkörpers einer Belüftungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlage für den Insassenraum eines Kraftfahrzeugs verbraucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst:

• a) Versorgen des zumindest einen Heizelements mit Strom, um dieses durch Einschalten eines Schalters mit seiner Höchstleistung zu betreiben,
• b) Unterbrechen der Stromversorgung des zumindest einen in Schritt a) eingeschalteten Heizelements durch Ausschalten des Schalters,
• c) erneutes Versorgen des zumindest einen Heizelements mit Strom und Messen einer physikalischen elektrischen Größe des Heizelements, die direkt oder indirekt mit der Gesamtstromstärke des von diesem Heizelement verbrauchten Stroms zusammenhängt.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist bei Schritt c) die Messung der elektrischen Größe eine Messung der Stromstärke des von dem Heizelement verbrauchten Stroms, die durch Anordnen eines Magnetkerns um den Stromversorgungsanschluss des Heizelements und durch Messung der Stromstärke des Nebenstroms erfolgt, der von dem Kern erzeugt wird, wenn er von dem von dem Heizelement verbrauchten Strom durchflossen wird.

Vorteilhaft ist bei einem Luftstrom, der in das Heizelement gelangt, um es zwecks Erwärmung zu durchströmen, der Magnetkern so dimensioniert, dass er eine Stromstärke des in dem Heizelement fließenden Stroms messen kann, welche einer Mindesttemperatur des Luftstroms und einem maximalen Luftdurchsatz entspricht.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass:

• – bei Schritt a) die Heizelemente durch Einschalten des Schalters nacheinander mit Strom versorgt werden,
• – bei Schritt b) die Stromversorgung aller in Schritt a) eingeschalteten Heizelemente durch Ausschalten des Schalters unterbrochen wird, um die von dem Magnetkern gespeicherte Energie zu entladen,
• – bei Schritt c) jedes Heizelement erneut durch Einschalten des Schalters mit Strom versorgt wird und die Stromstärke des Nebenstroms, der von dem Magnetkern erzeugt wird, erst gemessen, dann gefiltert und verstärkt wird, um in einem Mikrokontroller verarbeitet zu werden,
• – bei Schritt d) die Schritte a) bis c) mit dem gleichen Magnetkern nacheinander wiederholt werden, der an einem gemeinsamen Eingang sämtlicher Heizelemente positioniert ist,
• – bei Schritt e) die Summe der Stromstärken des von dem Magnetkern für jedes Heizelement erzeugten Nebenstroms von dem Mikrokontroller errechnet wird, um die gesamte Stromstärke des von dem elektrischen Heizkörper verbrauchten Stroms zu ermitteln.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass:

• – bei Schritt a) Heizelemente des elektrischen Heizkörpers mit Hilfe einer Stromquelle versorgt werden, die jedem Heizelement einzeln zugeordnet ist und deren Stromstärke bekannt ist und deren Spannung kontinuierlich gemessen wird, so dass der elektrische Widerstand eines jeden Heizelements mit Hilfe der Beziehung U = R × I ermittelt wird,
• – bei Schritt b) die Stromversorgung zumindest eines Heizelements unterbrochen wird,
• – bei Schritt c) das zumindest eine in Schritt b) abgeschaltete Heizelement erneut mit Hilfe der Stromquelle versorgt wird und die Stromstärke des von jedem Heizelement verbrauchten Stroms mit Hilfe der Beziehung U = R × I berechnet wird,
• – bei Schritt d) die Schritte a) bis c) für sämtliche Heizelemente, die in Schritt c) nacheinander eingeschaltet wurden, nacheinander wiederholt werden, und
• – bei Schritt e) die Summe der errechneten Stromstärken gebildet wird, um die Gesamtstromstärke des von dem elektrischen Heizkörper verbrauchten Stroms zu erhalten.

Vorteilhaft bleiben in Schritt d) das bzw. die in Schritt c) eingeschalteten Elemente bei Einschalten eines weiteren Elements eingeschaltet.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, die sich nur beispielhaft verstehen und worin zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines elektrischen Heizkörpers für eine Belüftungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlage für den Insassenraum eines Kraftfahrzeugs nach der vorliegenden Erfindung,

2 eine Schnittansicht des Versorgungskabels für den Heizkörper,

3 eine schematische Ansicht, welche die Stromstärke des in einem Magnetkern fließenden Stroms darstellt, der um einen Stromanschluss zum Versorgen des Heizkörpers herum angeordnet ist und als Messfühler wirkt, und

4 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizkörpers.

1 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines elektrischen Heizkörpers 10, der allgemein zu einer Belüftungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlage (nicht dargestellt) für Kraftfahrzeuge gehört.

Dieser Heizkörper 10 besteht aus einer Mehrzahl von Heizelementen 12, im vorliegenden Fall aus drei, die elektrisch parallel geschaltet sind. Typischerweise arbeitet jedes Heizelement 12 wie ein elektrischer Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), d.h. wie ein Widerstandselement, dessen elektrischer Widerstand mit der erreichten Heiztemperatur steigt. Jedes Heizelement 12 ist elektrisch mit einem Schalter 13 verbunden, der an die Masse und an eine Stromquelle angeschlossen ist, deren Stromstärke wohl bekannt ist. Am Heizkörper 10 ist ein Stromversorgungsanschluss 15 vorgesehen und für sämtliche Heizelemente 12 gemeinsam elektrisch angeordnet, wie schematisch angedeutet ist. Die Spannung dieser zweiten Stromquelle ist bekannt und beispielsweise auf 12 Volt festgelegt. Ein Magnetkern 20 ist um den Stromversorgungsanschluss 15 herum angeordnet, wie auch näher in 2 dargestellt ist, die eine Schnittansicht des Stromversorgungsanschlusses 15 und des Magnetkerns 20 zeigt. Eine analoge Verarbeitungsschaltung 25 und ein Mikrokontroller 30 sind am Ausgang des Magnetkerns 20 angeordnet, um einen von dem Magnetkern 20 erzeugten Nebenstrom zurückzugewinnen, wie nachfolgend erläutert wird.

Das zum Ermitteln des von dem elektrischen Heizkörper 10 verbrauchten Gesamtstroms I_t, d.h. des von sämtlichen seiner mit Volllast versorgten Heizelementen 12 verbrauchten Stroms verwendete Verfahren ist wie folgt:

Zunächst wird zumindest ein Heizelement 12 mit voller Leistung in Gang gesetzt, indem ein entsprechender Schalter 13 eingeschaltet wird. Wie in 3 angegeben ist, zeigt die obere Kennlinie das Anlegen des ersten Stroms an das Heizelement.

Dann werden sämtliche im vorherigen Schritt eingeschalteten Heizelemente ausgeschaltet, indem der Schalter 13 ausgeschaltet wird, um den Magnetkern 20 von der Energie zu entladen, wie gestrichelt im unteren Schema von 3 dargestellt ist.

Ein gerade eingeschaltetes und dann ausgeschaltetes Heizelement 12 wird dann erneut mit Strom versorgt, indem der entsprechende Schalter 13 nach wie vor mit voller Leistung eingeschaltet wird.

Ein Hauptstrom fließt dann durch den Stromversorgungsanschluss 15, wobei der Kern 20 magnetisch wird und dieser Hauptstrom einen Nebenstrom I_i erzeugt. Der Nebenstrom I_i wird gewonnen und dann gefiltert und von der analogen Verarbeitungsschaltung 25 verstärkt. Insbesondere ermöglicht die Verarbeitungsschaltung 25, die Spitze des gemessenen Stroms I_i zu messen, wie im unteren Schema von 3 dargestellt ist. Die Erhöhung des gemessenen Nebenstroms, d.h. die angezeigte Stromspitze ist Funktion von dem in dem Stromversorgungsanschluss 15 fließenden Strom. Die Messung erfolgt während eines kurzen Zeitintervalls, so dass ein Nebenstrom erhalten wird, wobei der Endwert der Messung ein Bild über den von dem Heizelement 12 verbrauchten Strom I₁₂ abgibt, wobei das im Magnetkern fließende Magnetfeld Funktion vom Hauptstrom ist. Wenn die Magnetfeldamplitude zu sehr ansteigt, kann der Magnetkern 20 sättigen, was zu einer Fehlmessung führt. Aus diesem Grund muss während der Messung der Strom auf beispielsweise 30 A begrenzt werden. Diese Strombegrenzung kann jedoch erhöht werden, indem die Größe des Magnetkerns erhöht wird, um die Sättigung zu vermeiden. Da aus Platzgründen die Abmessungen des Magnetkerns vorzugsweise vermindert sind, ist in der Praxis der Magnetkern 20 so dimensioniert, dass eine Stromstärke I₁₂ des im Heizelement 12 fließenden Stroms gemessen werden kann, die einer Mindesttemperatur des Luftstroms und einem maximalen Luftdurchsatz durch das betrachtete Heizelement 12 entspricht.

Jedes Heizelement 12, das, nachdem es ausgeschaltet wurde, nicht wieder eingeschaltet worden ist, wird nachfolgend erneut mit Strom versorgt, indem der entsprechende Schalter 13 eingeschaltet wird und jeder von dem Magnetkern erzeugte Nebenstrom I_i gemessen und dann verarbeitet wird.

Schließlich addiert der Mikrokontroller 30 nach Filterung und Verstärkung durch die analoge Verarbeitungsschaltung 25 die Stromstärke I_i sämtlicher Nebenströme, die bei der Versorgung eines jeden Heizelements 12 erzeugt wurden, um die Endstromstärke I_t des von dem unter Volllast laufenden Heizkörper 10 verbrauchten Stroms zu ermitteln.

4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, mit der auch die Gesamtstromstärke I_t des von einem elektrischen Heizkörper einer Belüftungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlage für Kraftfahrzeuge verbrauchten Stroms gemessen werden kann.

Der elektrische Heizkörper 10 enthält seinerseits drei parallel geschaltete Heizelemente 12. Jedes Heizelement 12 ist mit einer ersten Stromquelle C1 und einem Schalter 13 verbunden, die ihm zueigen sind. Auch sind eine Verarbeitungsschaltung 25 und ein Mikrokontroller 30 vorgesehen.

Das verwendete Verfahren zum Messen des von dem Heizkörper 10 verbrauchten Stroms I_i ist wie folgt:

Die erste Stromquelle C1, deren Stromstärke 11 bekannt ist und deren Spannung U1 genau gemessen wird, fließt in eines der Heizelemente 12 des Heizkörpers 10, wobei der entsprechende Schalter 13 in der geeigneten Stellung positioniert ist. Der elektrische Widerstand R₁₂ des Heizelements 12 wird somit mit Hilfe der Beziehung U1 = R₁₂ × I1 bestimmt.

Da das Heizelement 12 als Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) betrachtet wird, ändert sich sein elektrischer Widerstandswert mit steigender Temperatur. Da Heizelemente in einem Luftkanal zumeist senkrecht übereinandergestapelt werden, um den Heizkörper 10 zu bilden, heizen bestimmte Elemente nicht genau auf die gleiche Art und Weise zwischen dem oberen und dem unteren Bereich des Luftkanals, selbst dann nicht, wenn sie völlig baugleich ausgeführt sind. Die in jedem Heizelement erreichte Temperatur kann somit um einige Zehntel Grad bis einige Grade schwanken, womit der Wert des elektrischen Widerstands R₁₂ geändert wird. Somit ist es sinnvoll, den elektrischen Widerstand für jedes Heizelement 12 in genauer Weise zu messen. Dazu wird jedes Heizelement nacheinander über eine einzelne Stromquelle C1 versorgt. Um eine genaue Endmessung zu erhalten, wird somit der Schritt zum Messen des elektrischen Widerstands R₁₂ für jedes Heizelement 12 durchgeführt.

Nachdem der Wert des elektrischen Widerstands R₁₂ eines jeden Heizelements 12 erhalten wurde, werden die Heizelemente 12 vorzugsweise allesamt ausgeschaltet, obgleich dies nicht zwingend erforderlich ist.

Dann wird jedes Heizelement 12 nacheinander erneut mit Strom versorgt, indem der entsprechende Schalter 13 eingeschaltet wird, jedoch mit einer Stromquelle, deren Versorgungsspannung U2 bekannt ist (ständig gemessene Variable des Systems). Indem die Beziehung U2 = R₁₂ × I₁₂ verwendet wird, ist es somit möglich, die Stromstärke I₁₂ des im Heizelement 12 fließenden Stroms zu errechnen, der dem vom Heizelement verbrauchten Strom entspricht, und zwar nach der folgenden Formel: I₁₂ = (U2/U1) × I1

Dieser Vorgang wird für jedes Heizelement 12 wiederholt, um die Stromstärke des Stroms zu ermitteln, den ein jedes verbraucht hat.

Schließlich wird die Summe der Stromstärken I₁₂ über den Mikrokontroller 30 bestimmt, so dass die Gesamtstromstärke I_t des von dem Heizkörper 10 verbrauchten Stroms ermittelt wird.

Interessant ist, dass verschiedene Ausführungsvarianten bezüglich dieser Funktionsweise bestehen. Es ist nämlich möglich, sämtliche Heizelemente in dem ersten Schritt einzuschalten, nur eine bestimmte Anzahl davon, beispielsweise zwei von drei, in dem zweiten Schritt auszuschalten und nur einen von den ausgeschalteten wieder einzuschalten. Dies hat aufgrund der parallel geschalteten Anordnung und dadurch, dass der Widerstand R₁₂ eines jeden Elements einwandfrei bestimmt wird, keinerlei Einfluss auf die Endmessung.

Die Vorteile der Lösung der vorliegenden Erfindung sind folgende:

• – nicht intrusives Messsystem,
• – sehr zuverlässige und genaue Messung (unter 5 % Messunsicherheit),
• – Strommessung ohne Leistungsverlust,
• – sehr geringe Teilezahl und geringer Platzbedarf.

Es versteht sich jedoch, dass diese Beispiele sich nur beispielhaft zur Erläuterung des Gegenstands der Erfindung verstehen und keineswegs eine Einschränkung darstellen.