Title:
Kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor
Kind Code:
T5
Abstract:

Ein kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor weist einen Heizkreis auf, der ein Heizelement 4, eine Heizstromquelle 1 und eine Gleichtaktdrossel 3 mit einer ersten und einer zweiten Wicklung aufweist, wobei das Heizelement über die erste und die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel an die Heizstromquelle anschließbar ist. Eine Diagnoseschaltung weist mindestens ein steuerbares Schaltelement 13, das über die zweite Wicklung gekoppelt ist, Mittel zum Einspeisen eines Gleichstroms 17 in eine Reihenschaltung, die aus der ersten Wicklung der Gleichtaktdrossel, dem Heizelement 4 und einer Parallelschaltung der zweiten Wicklung und des mindestens einen steuerbaren Schaltelements 13 gebildet ist; und mindestens eine Erkennungsschaltung zum Erkennen einer Spannungsänderung durch die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel auf, wobei die Spannungsänderung beim Öffnen des steuerbaren Schaltelements induziert wird.



Inventors:
Pütz, Michael (54292, Trier, DE)
Lamesch, Laurent (Reichlange, LU)
Landwehr, Jochen (54295, Trier, DE)
Virnich, Michael (54317, Korlingen, DE)
Application Number:
DE112015004140T
Publication Date:
06/22/2017
Filing Date:
08/20/2015
Assignee:
IEE International Electronics & Engineering S.A. (Echternach, LU)
International Classes:
Attorney, Agent or Firm:
OFFICE FREYLINGER S.A., Strassen, LU
Claims:
1. Kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor, aufweisend
einen Heizkreis mit einem Heizelement, einer Heizstromquelle und einer Gleichtaktdrossel mit einer ersten und einer zweiten Wicklung, wobei das Heizelement über die erste und die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel an die Heizstromquelle anschließbar ist,
einen Impedanzmesskreis, der mit dem Heizelement verbunden ist, um die Impedanz zwischen dem Heizelement und einem Knoten auf Erdpotential zu messen; und
eine Diagnoseschaltung, die dafür konfiguriert ist, die Unversehrtheit des Heizelements zu bestimmen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseschaltung folgendes aufweist:
mindestens ein steuerbares erstes Schaltelement, das über die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel gekoppelt ist,
Mittel zum Einspeisen eines Gleichstroms in eine Reihenschaltung, die durch die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel, das Heizelement und eine Parallelschaltung der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel und des mindestens einen ersten steuerbaren Schaltelements gebildet ist; und
mindestens eine Erkennungsschaltung zum Erkennen einer Spannungsänderung durch die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel, wobei die Spannungsänderung beim Öffnen des ersten steuerbaren Schaltelements induziert wird.

2. Kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Einspeisen des Gleichstroms die Heizstromquelle aufweisen und wobei die Diagnoseschaltung dafür konfiguriert ist, die Unversehrtheit des Heizelements während eines Heizzyklus des Heizelements zu bestimmen.

3. Kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel zum Einspeisen des Gleichstroms eine Diagnose-Gleichstromquelle aufweisen, die an die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel angeschlossen ist, und wobei die Diagnoseschaltung dafür konfiguriert ist, die Unversehrtheit des Heizelements außerhalb eines Heizzyklus des Heizelements zu bestimmen.

4. Kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel zum Einspeisen des Gleichstroms eine Diagnose-Gleichstromquelle aufweisen, die über ein zweites steuerbares Schaltelement an die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel angeschlossen ist, und wobei die Diagnoseschaltung dafür konfiguriert ist, die Unversehrtheit des Heizelements außerhalb eines Heizzyklus des Heizelements zu bestimmen.

5. Kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Erkennungsschaltung einen Mikrokontroller aufweist, der einen Analog-Digital-Umsetzblock und einen entsprechenden Analog-Digital-Eingang aufweist, wobei der Analog-Digital-Eingang mit einem Diagnoseknoten wirkverbunden ist, der sich zwischen der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel und dem Heizelement befindet, wobei der Mikrokontroller ferner dafür konfiguriert ist, eine Amplitude der Spannungsänderung an dem Diagnoseknoten mit einem Schwellenwert zu vergleichen.

6. Kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor nach Anspruch 5, wobei die Erkennungsschaltung ferner einen Verstärker aufweist, der zwischen dem Diagnoseknoten und dem Analog-Digital-Eingang des Mikrokontrollers angeschlossen ist, wobei der Verstärker zur Verstärkung eines Spannungssignals an dem Diagnoseknoten vorgesehen ist.

7. Kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Mikrokontroller ferner dafür konfiguriert ist, eine Offsetspannung an dem Analog-Digital-Eingang zu messen und vor dem Vergleich mit dem Schwellenwert die gemessene Offsetspannung von der Spannungsänderung abzuziehen.

8. Kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor nach Anspruch 7, wobei der Mikrokontroller dafür konfiguriert ist, die Offsetspannung an dem Analog-Digital-Eingang zu messen, wenn das erste steuerbare Schaltelement geschlossen ist.

9. Kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Mikrokontroller ferner dafür konfiguriert ist, den Betrieb des mindestens einen ersten steuerbaren Schaltelements und/oder des mindestens einen zweiten steuerbaren Schaltelements zu steuern.

10. Verfahren zur Bestimmung der Unversehrtheit eines Heizelements in einem kapazitiven Belegungs- oder Annäherungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
a. Steuern des mindestens einen ersten steuerbaren Schaltelements, um es in einen geschlossenen Zustand zu schalten;
b. Veranlassen des Einspeisens eines Gleichstroms in eine Reihenschaltung, die durch die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel, das Heizelement und eine Parallelschaltung der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel und des mindestens einen ersten steuerbaren Schaltelements gebildet ist;
c. nach einer vorbestimmten Ausregelzeit das Steuern des mindestens einen ersten steuerbaren Schaltelements, um es in einen geöffneten Zustand zu schalten;
d. nach dem Öffnen des ersten steuerbaren Schaltelements das Erkennen einer Spannungsänderung über die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel; und
e. das Schlussfolgern, dass die Unversehrtheit eines Heizelements gegeben ist, wenn die Spannungsänderung einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.

11. Verfahren zur Bestimmung der Unversehrtheit eines Heizelements nach Anspruch 10, wobei das Veranlassen des Einspeisens des Gleichstroms in eine Reihenschaltung das Veranlassen des Zuführens eines Heizstroms zum Heizelement durch die Heizstromquelle aufweist.

12. Verfahren zur Bestimmung der Unversehrtheit eines Heizelements nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Veranlassen der Einspeisung des Gleichstroms in eine Reihenschaltung das Verbinden einer Diagnose-Gleichstromquelle mit der ersten Wicklung der Gleichtaktdrossel umfasst.

13. Verfahren zur Bestimmung der Unversehrtheit eines Heizelements nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Erkennen einer Spannungsänderung über die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel das Erkennen einer Änderung eines Spannungspegels an einem Diagnoseknoten, der sich zwischen der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel und dem Heizelement befindet, umfasst, und wobei das Verfahren des Weiteren den Schritt des Messens einer Offsetspannung an dem Diagnoseknoten und das Subtrahieren der Offsetspannung von der Änderung des Spannungspegels an dem Diagnoseknoten vor dem Vergleich mit dem Schwellenwert umfasst.

14. Verfahren zur Bestimmung der Unversehrtheit eines Heizelements nach Anspruch 13, wobei das Messen einer Offsetspannung vorgenommen wird, wenn sich das mindestens eine erste steuerbare Schaltelement in dem geschlossenen Zustand befindet.

Description:
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen kapazitiven Belegungs- oder Annäherungssensor, der ein Heizelement als seine Antennenelektrode verwenden kann. Ein kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor, wie er hier vorgeschlagen wird, kann z. B. verwendet werden, um die Abwesenheit oder Anwesenheit eines Insassen auf einem besetzbaren bzw. belegbaren Gegenstand, der ein Fahrzeugsitz, ein Krankenhausbett usw. sein kann, zu erkennen, oder um die Hand eines Fahrers auf dem Lenkrad zu erkennen.

Stand der Technik

Ein kapazitiver Sensor, der manchmal als elektrischer Feldsensor oder Annäherungssensor bezeichnet wird, bezeichnet einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss des Gemessenen (einer Person, eines Körperteils einer Person, eines Haustieres, eines Gegenstands usw.) auf ein elektrisches Feld reagiert. Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an die ein elektrisches oszillierendes Signal angelegt wird und die daraufhin ein elektrisches Feld in einen Raumbereich nahe der Antennenelektrode ausgibt, während der Sensor in Betrieb ist. Der Sensor umfasst mindestens eine Erfassungselektrode, an der der Einfluss eines Gegenstands oder eines Lebewesens auf das elektrische Feld erkannt wird. In manchen kapazitiven (sogenannten "Lademodus-")Belegungssensoren dienen die eine oder die mehreren Antennenelektroden gleichzeitig als Erfassungselektroden. In diesem Fall bestimmt die Messschaltung den in die eine oder in die mehreren Antennenelektroden fließenden Strom in Abhängigkeit einer an diese angelegten oszillierenden Spannung. Die Beziehung zwischen Spannung und Strom ergibt die komplexe Impedanz der einen oder der mehreren Antennenelektroden. In einer alternativen Version von kapazitiven Sensoren (kapazitive "Kopplungsmodus“-Sensoren) sind die Sendeantennenelektrode(n) und die Erfassungselektrode(n) voneinander getrennt. In diesem Fall bestimmt die Messschaltung den Strom oder die Spannung, der/die in der Erfassungselektrode induziert wird, wenn die Sendeantennenelektrode im Betrieb ist.

Die verschiedenen kapazitiven Erfassungsmechanismen werden in dem technischen Dokument mit dem Titel "Electric Field Sensing for Graphical Interfaces" von J. R. Smith, veröffentlicht in "Computer Graphics I/O Devices", Ausgabe Mai/Juni 1998, Seiten 54–60, erklärt. Das Dokument beschreibt das Konzept des Erfassens eines elektrischen Felds, wie es verwendet wird, um berührungslose dreidimensionale Positionsmessungen vorzunehmen, und insbesondere um die Position einer menschlichen Hand zum Zwecke der Eingabe von dreidimensionalen Positionen in einen Computer zu erfassen. Innerhalb des allgemeinen Konzepts der kapazitiven Erfassung unterscheidet der Autor zwischen distinkten Mechanismen, die er als Lademodus, Parallelmodus und Sendemodus bezeichnet, was verschiedenen möglichen Wegen für den elektrischen Strom entspricht. Im "Lademodus" wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Masse aufbaut. Der zu erfassende Gegenstand modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Masse. Im "Parallelmodus" wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, die ein elektrisches Feld gegen eine Empfängerelektrode aufbaut, und die an der Empfängerelektrode induzierte Verschiebungsstromstärke wird gemessen, wodurch die Verschiebungsstromstärke durch den erfassten Körper modifiziert werden kann. Im "Sendemodus" wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann ein Sender relativ zu einem Empfänger wird, und zwar entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über eine kapazitive Kopplung. Der "Parallelmodus" wird alternativ auch als der oben erwähnte "Kopplungsmodus" bezeichnet.

Es wurde eine reiche Vielfalt von kapazitiven Insassenerfassungssystemen vorgeschlagen, z. B. zur Steuerung des Entfaltens von einem oder mehreren Airbags, wie z.B. eines Fahrerairbags, eines Beifahrerairbags und/oder eines Seitenairbags. Das US-Patent 6,392,542 von Stanley lehrt einen elektrischen Feldsensor, der eine Elektrode aufweist, die innerhalb eines Sitzes montierbar ist und die betrieblich an eine Erfassungsschaltung gekoppelt ist.

Die Idee der Verwendung des Heizelements einer Sitzheizung als eine Antennenelektrode eines kapazitiven Belegungserfassungssystems ist schon seit langer Zeit bekannt. Die WO 92/17344 A1 offenbart einen elektrisch beheizten Fahrzeugsitz mit einem Leiter, der durch das Durchleiten von elektrischem Strom erwärmt werden kann und der sich in der Sitzfläche befindet, wobei der Leiter auch eine Elektrode eines Sitzbelegungssensors mit zwei Elektroden bildet.

Die US 7,521,940 betrifft eine Kombination aus Sitzheizung und kapazitivem Sensor, die in der Lage ist, jeweils entweder im Heizmodus oder im Insassenerfassungsmodus zu arbeiten. Die Vorrichtung umfasst ein Sensor-/Heizpad zum Übertragen eines Erfassungssignals, eine erste Diode, die an einen ersten Knoten des Sensor-/Heizpads gekoppelt ist, eine zweite Diode, die an einen zweiten Knoten des Sensor-/Heizpads gekoppelt ist, einen ersten Transistor, der an die erste Diode gekoppelt ist, und einen zweiten Transistor, der an die zweite Diode gekoppelt ist. Im Erfassungsmodus sind der erste und der zweite Transistor geöffnet und die Knoten zwischen dem ersten Transistor und der ersten Diode sowie zwischen dem zweiten Transistor und der zweiten Diode sind in Sperrrichtung betrieben, um das Sensor-/Heizpad von der Stromversorgung der Heizschaltung zu isolieren.

Die US 2009/0295199 offenbart eine Kombination aus Sitzheizung und kapazitivem Sensor, wobei jeder der beiden Knoten des Heizelements über zwei in Reihe geschaltete Transistoren an die Heizstromversorgung angeschlossen ist. Die Vorrichtung kann nicht gleichzeitig im Erfassungsmodus und im Heizmodus arbeiten. Wenn sich die Vorrichtung im Erfassungsmodus befindet, werden die Knoten zwischen jedem Paar von Transistoren durch jeweilige Spannungsfolger aktiv auf dem gleichen Potential gehalten wie das Heizelement, um jegliche Impedanz der Transistoren bei einem offenen Schalter zu neutralisieren.

Genau die gleiche Idee wurde bereits in der US 6,703,845 offenbart. Als Alternative zu Transistoren offenbart dieses Dokument Induktoren, um bei der Frequenz des oszillierenden Signals zwischen dem Heizelement und der Stromquelle des Heizkreises eine hohe Impedanz zu erreichen. Wie in dem zuvor besprochenen Dokument hält ein Spannungsfolger die Zwischenknoten im Wesentlichen auf dem gleichen Potential wie das Heizelement, um die Stromversorgung des Heizkreises bei der Frequenz des oszillierenden Signals wirksam von dem Heizelement zu isolieren.

Ein Nachteil des in der US 6,703,845 offenbarten Systems besteht darin, dass die als Wechselstrom-Entkopplungselemente verwendeten Induktoren den gesamten Heizstrom (bis zu 10 A Gleichstrom und mehr) unterstützen und gleichzeitig der kapazitiven Messschaltung und der Sitzheizung eine hohe Wechselstrom-Impedanz bieten müssen. Eine hohe Induktivität und ein starker Betriebsgleichstrom bedeuten, dass der Induktor auf große Kerne gewickelt werden muss, was kostspielig ist. Je nach der aus der US 6,703,845 gewählten Anwendung müssen entweder zwei oder vier dieser Induktoren verwendet werden.

Die US 2011/121618 offenbart noch eine weitere Variante eines Insassenerkennungssystems mit einem Heizelement angrenzend an die Sitzfläche eines Sitzes. Eine kapazitive Insassenerkennungsschaltung ist elektrisch an das Heizelement gekoppelt. Eine Gleichtaktdrossel ist als eine Isolierschaltung zwischen dem Heizkreis und dem Heizelement zwischengeschaltet und verhindert, dass der Heizkreis die Insassenerkennungsschaltung beeinflusst.

Wenn kapazitive Belegungs- oder Annäherungs-Erkennungssysteme ein Heizelement als Antennenelektrode verwenden, wird das Heizelement potentiell eine sicherheitsrelevante Systemkomponente. Es kann somit notwendig sein, die Funktionsfähigkeit des Heizelements zu überwachen, um eine falsche Ablesung durch das kapazitive Belegungs- oder Annäherungs-Erkennungssystem auszuschließen.

Eine Lösung für dieses Problem kann im Messen des Heizstroms während des Heizbetriebs und im Messen des Widerstands der Heizung während Heizpausen bestehen. Diese Lösung erfordert jedoch einen geringen Nebenschlusswiderstand, um die Verlustleistung niedrig zu halten, was wiederum die Verwendung eines kostspieligen Präzisionsverstärkers erfordert.

Aufgabenstellung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kapazitive Lademodus-Messschaltung unter Verwendung eines Heizers als Sensor und einer Gleichtaktdrossel als Separator zwischen dem Heizstrom und dem Messstrom mit einer kostengünstigen Sitzheizung-Diagnoseschaltung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch einen kapazitiven Belegungs- oder Annäherungssensor nach Anspruch 1 gelöst.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Ein kapazitiver Belegungs- oder Annäherungssensor weist einen Heizkreis, einen Impedanzmesskreis und eine Diagnoseschaltung zum Überprüfen der Unversehrtheit der Vorrichtung auf. Der Heizkreis umfasst ein Heizelement (wobei es sich um ein Sitzheizungselement, das in einen Fahrzeugsitz zu integrieren ist, eine Scheibenheizung, die in eine Scheibenfläche zu integrieren ist, oder eine Lenkradheizung handeln kann), eine Heizstromquelle und eine Gleichtaktdrossel mit einer ersten und einer zweiten Wicklung, wobei das Heizelement über die erste und die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel an die Heizstromquelle anschließbar ist. Der Impedanzmesskreis ist zum Messen der Impedanz zwischen dem Heizelement und einem Knoten auf Erdpotential mit dem Heizelement verbunden (z. B. mit der Fahrzeugkarosserie, falls der Detektor in einem Fahrzeug angeordnet ist). Der Detektor weist ferner eine Diagnoseschaltung auf, die dafür konfiguriert ist, die Unversehrtheit des Heizelements zu bestimmen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Diagnoseschaltung mindestens ein erstes steuerbares Schaltelement, das über die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel gekoppelt ist, Mittel zum Einspeisen eines Gleichstroms in eine Reihenschaltung, die durch die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel, das Heizelement und eine Parallelschaltung der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel und des mindestens einen ersten steuerbaren Schaltelements gebildet ist; und mindestens eine Erkennungsschaltung zum Erkennen einer Spannungsänderung durch die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel auf, wobei die Spannungsänderung beim Öffnen des ersten steuerbaren Schaltelements induziert wird.

Das Heizelement weist vorzugsweise eine ohmsche Heizung auf, z. B. einen Draht aus einem widerstandsfähigen Material oder eine auf ein Substrat aufgedruckte widerstandsfähige Spur. Das Heizelement kann aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Material) gefertigt sein, d. h. einem Material, dessen elektrischer Widerstand mit einem zunehmenden durch diesen fließenden Strom zunimmt.

Um den Sitzheizkreis zu diagnostizieren, wird der erste steuerbare Schalter geschlossen und die Diagnoseschaltung bewirkt, dass ein Gleichstrom durch die Reihenschaltung der unterschiedlichen Elemente fließt. Der Gleichstrom fließt somit durch die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel, durch das Heizelement und teilt sich an der Parallelschaltung der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel und des mindestens einen ersten steuerbaren Schaltelements. Ein Teil des Stroms fließt durch die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel und ein anderer Teil fließt durch den geschlossenen Schalter.

Durch die Transformatorwirkung der Gleichtaktdrossel und den magnetischen Kopplungsfaktor zwischen der ersten und der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel wird der durch die zweite Wicklung fließende Strom zunächst im Wesentlichen gleich dem eingespeisten Gleichstrom sein. Da die Induktivität der Wicklungen der Gleichtaktdrossel nicht infinit ist, wird der Strom durch die zweite Wicklung über die Zeit nachlassen und der Strom durch den geschlossenen Schalter wird entsprechend zunehmen, so dass die Summe beider Ströme im Wesentlichen gleich dem eingespeisten Gleichstrom bleibt. Nach einer gewissen Ausregelzeit wird die Aufteilung von Strom auf die zweite Wicklung und den geschlossenen Schalter durch die Verhältnisse des Gleichstromwiderstands der zweiten Wicklung zum Widerstand des eingeschalteten Schalters definiert.

Falls das erste steuerbare Schaltelement anschließend geöffnet wird, fällt der Strom durch das Schaltelement abrupt auf einen Pegel von im Wesentlichen null ab, und demgemäß nimmt der Strom durch die zweite Wicklung abrupt von seinem vorherigen Gleichgewichtspegel auf den Pegel des eingespeisten Gleichstroms zu. Dieser Stromschritt durch die zweite Wicklung erzeugt eine abrupte Spannungsänderung oder einen Spannungsimpuls auf einem Diagnoseknoten, der sich stromaufwärts der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel befindet, d. h. zwischen der zweiten Wicklung und dem Heizelement. Das Vorliegen dieses Spannungsimpulses, das durch die Erkennungsschaltung erkannt werden kann, gibt einen deutlichen Hinweis, dass das Heizelement intakt ist. Wenn nämlich das Heizelement unterbrochen oder beschädigt ist, kann der eingespeiste Gleichstrom nicht fließen, und demnach wird durch das Öffnen des ersten steuerbaren Schaltelements kein Spannungsimpuls auf dem Diagnoseknoten erzeugt.

Es ist ersichtlich, dass das Vorliegen des Spannungsimpulses durch eine kostengünstige Schaltung erkannt werden kann und dass die derzeit vorgestellte Lösung daher die Implementierung einer kostengünstigen Diagnoseschaltung ermöglicht.

Wie ersichtlich ist, ermöglicht die vorgeschlagene Konfiguration eine Diagnose des Heizkreises, und zwar während dieser eingeschaltet ist, d. h. während eines Heizzyklus, und auch während er ausgeschaltet ist, d. h. außerhalb eines Heizzyklus. Die Mittel zum Einspeisen des Gleichstroms können nämlich die Heizstromquelle aufweisen, in welchem Fall die Diagnoseschaltung zum Bestimmen der Unversehrtheit des Heizelements während eines Heizzyklus des Heizelements konfiguriert ist. In einer Variante können die Mittel zum Einspeisen des Gleichstroms eine Diagnose-Gleichstromquelle aufweisen, die an die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel angeschlossen oder über ein zweites steuerbares Schaltelement an die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel anschließbar ist. In diesem Fall ist die Diagnoseschaltung zum Bestimmen der Unversehrtheit des Heizelements außerhalb eines Heizzyklus des Heizelements konfiguriert.

Bei einer möglichen Ausführungsform weist die Erkennungsschaltung einen Mikrokontroller auf, der einen Analog-Digital-Umsetzblock und einen entsprechenden Analog-Digital-Eingang aufweist, wobei der Analog-Digital-Eingang mit einem Diagnoseknoten wirkverbunden ist, der sich zwischen der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel und dem Heizelement befindet. Bei dieser Ausführungsform ist der Mikrokontroller ferner dafür ausgelegt, eine Amplitude der Spannungsänderung an dem Diagnoseknoten mit einem Schwellenwert zu vergleichen. Falls ein Spannungsimpuls erkannt wird, der den Schwellenwert übersteigt, wird der Heizkreis für den Zweck der kapazitiven Erkennung als intakt angesehen, während bei Fehlen eines Spannungsimpulses, der den Schwellenwert übersteigt, angenommen wird, dass eine Unterbrechung des Kreises aufgetreten ist, und es kann eine entsprechende Aktion (wie die Ausgabe eines Warnsignals) ausgelöst werden.

Es ist ersichtlich, dass die Erkennungsschaltung vorzugsweise ferner einen Verstärker aufweist, der zwischen dem Diagnoseknoten und dem Analog-Digital-Eingang des Mikrokontrollers angeschlossen ist, wobei der Verstärker zur Verstärkung eines Spannungssignals an dem Diagnoseknoten vorgesehen ist.

In einer möglichen Ausführungsform ist der Mikrokontroller ferner dafür ausgelegt, eine Offsetspannung an dem Analog-Digital-Eingang zu messen, wenn das erste steuerbare Schaltelement geschlossen ist, und die gemessene Offsetspannung vor dem Vergleich mit dem Schwellenwert von der Spannungsänderung zu subtrahieren.

Schließlich ist der Mikrokontroller ferner vorzugsweise dafür ausgelegt, den Betrieb des mindestens einen ersten steuerbaren Schaltelements und/oder des mindestens einen zweiten steuerbaren Schaltelements zu steuern.

Ein bevorzugter Aspekt der Erfindung betrifft eine Kombination aus Sitzheizung und Sitzbelegungssensor, aufweisend einen kapazitiven Belegungs- oder Annäherungssensor, wie hier vorstehend beschrieben.

Ein weiterer bevorzugter Aspekt der Erfindung betrifft eine Kombination aus Lenkradheizung und Handkontaktdetektor, aufweisend einen kapazitiven Belegungs- oder Annäherungssensor, wie hier vorstehend beschrieben.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen der Unversehrtheit eines Heizelements in einem kapazitiven Belegungs- oder Annäherungssensor, wie hier vorstehend beschrieben, die folgenden Schritte:

  • a. Steuern des mindestens einen ersten steuerbaren Schaltelements, um es in einen geschlossenen Zustand zu schalten;
  • b. Veranlassen des Einspeisens eines Gleichstroms in eine Reihenschaltung, die durch die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel, das Heizelement und eine Parallelschaltung der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel und des mindestens einen ersten steuerbaren Schaltelements gebildet ist;
  • c. nach einer vorbestimmten Ausregelzeit das Steuern des mindestens einen ersten steuerbaren Schaltelements, um es in einen geöffneten Zustand zu schalten;
  • d. nach dem Öffnen des ersten steuerbaren Schaltelements das Erkennen einer Spannungsänderung über die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel; und
  • e. das Schlussfolgern, dass die Unversehrtheit eines Heizelements gegeben ist, wenn die Spannungsänderung einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.

Das vorliegende Verfahren besteht somit in dem Einspeisen eines Gleichstroms in die Reihenschaltung der ersten Wicklung der Gleichtaktdrossel, der Sitzheizung und der Parallelschaltung der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel und eines über die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel angeschlossenen Schalters, dem Abwarten für eine gewisse Zeit und dann dem Öffnen des Schalters. Der Strom, der vor Öffnen des Schalters durch den Schalter geflossen ist, fließt nun abrupt durch die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel und erzeugt einen Spannungsimpuls durch die zweite Wicklung. Dieser Impuls wird z. B. durch einen Analog-Digital-Umsetzer eines Mikrokontrollers erkannt. Falls keine Sitzheizung angeschlossen ist, oder wenn diese ausfällt und einen offenen Kreis hat, fließt kein Gleichstrom und es wird kein Impuls erkannt.

Der Schritt des Bewirkens, dass der Gleichstrom in eine Reihenschaltung eingespeist wird, kann das Bewirken, dass die Heizstromquelle dem Heizelement einen Heizstrom zuführt, und/oder das Anschließen einer Diagnose-Gleichstromquelle über ein zweites steuerbares Schaltelement an die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel umfassen.

In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Erkennen einer Spannungsänderung durch die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel das Erkennen einer Änderung eines Spannungspegels an einem Diagnoseknoten, der sich zwischen der zweiten Wicklung der Gleichtaktdrossel und dem Heizelement befindet. Ferner umfasst das Verfahren vorzugsweise den Schritt des Messens einer Offsetspannung an dem Diagnoseknoten, wenn sich das mindestens eine erste steuerbare Schaltelement in dem geschlossenen Zustand befindet, und des Subtrahierens der Offsetspannung von der Änderung des Spannungspegels an dem Diagnoseknoten vor dem Vergleich mit dem Schwellenwert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer nicht beschränkenden Ausführungsform anhand der beigefügten 1 ersichtlich, wobei es sich um einen schematischen Schaltplan einer Kombination aus Heizung und kapazitiver Sensorvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen

1 zeigt eine Kombination aus Heizung und kapazitiver Sensorvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Die Kombination aus Heizung und kapazitiver Sensorvorrichtung weist ein ohmsches Heizelement 4, z. B. ein Sitzheizungs- oder ein Lenkradheizelement auf, das Wärme erzeugt, wenn ein elektrischer Strom hindurch fließt. Das Heizelement 4 ist über die erste und die zweite Wicklung einer Gleichtaktdrossel 3 an eine Heizstromquelle 1 angeschlossen (z. B. eine Autobatterie). Die Heizstromquelle oder Elektroenergieversorgung 1 liefert den Heizstrom für das Heizelement 4. Der Schalter 2 schaltet den Heizelement-Heizstrom ein und aus und ermöglicht es zum Beispiel einem Benutzer, die Heizung ein- und auszuschalten.

Das Heizelement 4 dient des Weiteren als eine Antennenelektrode eines kapazitiven Sensors. Während der kapazitiven Erfassung trennt die Gleichtaktdrossel 3 den Heizstrom von dem Messstrom. Die komplexen Impedanzen 5 und 6 stellen die Impedanz zwischen dem Heizelement 4 und elektrischer Erdung dar und sind typischerweise eine Kombination aus Widerständen und Kapazitäten. Im Fall eines Sitzbelegungssensors hängen diese Impedanzen von dem Belegungszustand des Sitzes ab, im Fall eines Handkontakt-Erkennungssensors für ein Lenkrad hängen die Impedanzen von der Nähe der Hand oder der Hände eines Fahrers zum Sensor im Lenkrad ab.

Die kapazitive Messung wird durch eine Wechselstromsignalquelle 8 und einen Transimpedanzverstärker 7 implementiert. Eine Wechselstromsignalquelle 8 erzeugt eine Wechselspannung, vorzugsweise eine Sinuswelle mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 350 kHz, und speist dieses Signal in den unteren Referenzeingang des Transimpedanzverstärkers 7 ein. Auf Grund der Wirkung des Transimpedanzverstärkers 7 hat das Signal an dem oberen Eingang des Transimpedanzverstärkers 7 im Wesentlichen die gleiche Wechselspannung wie der Referenzeingang des Transimpedanzverstärkers.

Während der kapazitiven Messung ist der Schalter 13 offen, und der Wechselstrom durch die parallel geschalteten Impedanzen 5 und 6 fließt auch durch den Kondensator 20 in den Signaleingang des Transimpedanzverstärkers 7. Der Kondensator 20 wird zum Beispiel so ausgewählt, dass seine Impedanz bei der Betriebsfrequenz der Wechselstromquelle 8 vorzugsweise wesentlich kleiner ist als die Eingangsimpedanz des Transimpedanzverstärkers 7. Da der Ausgang 9 des Transimpedanzverstärkers 7 den Strom an seinem Signaleingang anzeigt, zeigt der Ausgang 9 auch die parallel geschalteten Impedanzen 5 und 6 an.

Während der Sitzheizungsdiagnose fließt ein Gleichstrom 17 in die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel 3 entweder, weil der Schalter 2 während der Heizperiode geschlossen ist, oder während der Heizpausen, da der Schalter 11 geschlossen ist. Die Gleichspannungsquelle 12 und der Widerstand 10 speisen während der Heizpausen einen Strom in die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel 3.

Der Zweck besteht darin, einen Strom 17 während der Sitzheizungsdiagnose fließen zu lassen, unabhängig davon, ob der Heizstrom fließt, auch wenn der Strom nicht konstant ist. Es ist anzumerken, dass die Spannungsquelle 12 permanent mit der ersten Wicklung der Gleichtaktdrossel verbunden sein könnte. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spannungsquelle 12 jedoch vorzugsweise über einen steuerbaren Schalter 11 an die erste Wicklung anschließbar.

Der Schalter 13 wird zunächst geschlossen, wenn die Sitzheizungsdiagnose beginnt. Der Strom 17 fließt durch die erste Wicklung der Gleichtaktdrossel 3, durch die Sitzheizung 4 und teilt sich auf in die Ströme 18 und 19, wobei der Strom 18 durch die zweite Wicklung der Gleichtaktdrossel 3 und der Strom 19 durch den geschlossenen Schalter 13 fließt.

Da der magnetische Kopplungsfaktor zwischen der ersten und der zweiten Wicklung groß ist, typischerweise größer als 0,95, wird der Strom 18 das erste Mal, wenn der Strom 17 von den Schaltern 2 oder 11 eingeschaltet wird, erst gleich dem Strom 17, und zwar auf Grund der Transformatorwirkung der Gleichtaktdrossel 3. Die Wicklungen der Gleichtaktdrossel 3 haben eine Induktivität, zum Beispiel 10 mH, und einen Gleichstromwiderstand, zum Beispiel 10 mΩ pro Wicklung. Der Schalter 13 hat auch einen "An'-Widerstand, zum Beispiel von 10 mΩ.

Da die Induktivität der Gleichtaktdrossel nicht infinit ist, wird der Strom 18 über die Zeit nachlassen, und der Strom 19 wird entsprechend zunehmen, so dass die Summe der Ströme 18 und 19 im Wesentlichen gleich dem Strom 17 bleibt.

Nach einer Ausregelzeit wird die Aufteilung des Stroms 17 auf die Ströme 18 und 19 durch die Verhältnisse des Gleichstromwiderstands der zweiten Wicklung zum "Ein"-Widerstand des Schalters 13 definiert. In dem vorstehenden Beispiel sind beide Ströme gleich, da beide Widerstände gleich sind.

Der Schalter 13 wird nach einer Verzögerung nach seiner Schließung geöffnet, zum Beispiel nach 100 ms. Da der Strom 19 nun abrupt auf einen Pegel von im Wesentlichen null abfällt, springt der Strom 18 abrupt von seinem vorherigen Pegel auf den Pegel des Stroms 17. Dieser Stromschritt durch die zweite Wicklung erzeugt einen Spannungsimpuls auf dem Knoten 14, der z. B. durch den Verstärker 15 verstärkt und in den Analog-Digital-Eingang 16 eines Mikrokontrollers 21 geführt wird.

Ein Teil der Änderungen der Ströme 18 und 19 wird auch durch die Parallelschaltung der Parasitärkapazität der Gleichtaktdrossel 17, die Impedanzen 5 und 6 und die Reihenschaltung des Kondensators 20 und der Eingangsimpedanz des Transimpedanzverstärkers 7 absorbiert. Dies führt zu einer Abmilderung des Impulses und einer nachlassenden Oszillation an Stelle eines einzelnen Impulses auf dem Knoten 14. Beide Wirkungen spielen jedoch beim Diagnosebetrieb keine wesentliche Rolle.

Der Mikrokontroller 21 steuert auch vorzugsweise die Schalter 11 und 13, z. B. über eine oder mehrere Steuerleitung(en) 22.

Der Mikrokontroller vergleicht die Größe des Impulses auf dem Analog-Digital-Umsetzereingang 16 mit einem vorbestimmten Wert. Falls der Strom 17 auf Grund einer unterbrochenen oder beschädigten Sitzheizung (offener Kreis) nicht fließen kann, liegt der Impuls an dem Analog-Digital-Eingang 16 unterhalb des Schwellenwerts, und der Mikrokontroller erkennt ein defektes Heizelement. Im gegenteiligen Fall wird das Heizelement als funktionsfähig angesehen.

Außerdem misst der Mikrokontroller vorzugsweise die Offsetspannung an dem Ausgang des Verstärkers 15 während stabiler Bedingungen, wenn keine Spannungsänderung auf Grund eines geöffneten Schalters vorkommt, und subtrahiert später diesen Offset von dem gemessenen Impuls vor Durchführung des Vergleichs. Die Offsetspannung wird zum Beispiel während der Zeit gemessen, während der der Schalter 13 und die Schalter 2 und/oder 11 eingeschaltet sind.