„Verfahren und Heizsystem zum Beheizen eines Fluid-Leitungssystems insbesondere in einem Kraftfahrzeug"

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Beheizen eines Fluid- Leitungssystems mit mindestens zwei elektrischen Heizelementen.

Ferner betrifft die Erfindung auch ein Heizsystem für ein Fluid-Leitungssystem mit mindestens zwei elektrischen Heizelementen und insbesondere zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zum Stand der Technik sei beispielhaft auf die Dokumente DE 41 35 082 C1 , WO 2007/073286 A1 , EP 1 985 908 A1 sowie EP 1 764 541 A1 verwiesen.

Beheizbare Fluid-Leitungssysteme werden häufig insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, und zwar für solche Medien, die aufgrund ihres Gefrierpunktes bereits bei relativ hohen Umgebungstemperaturen zum Gefrieren neigen. Dadurch können bestimmte Funktionen beeinträchtigt werden. Dies ist beispielsweise bei Wasserleitungen für die Scheibenwaschanlage der Fall, insbesondere aber auch bei Leitungen für eine wässrige Harnstofflösung, die als NOχ-Reduktionsadditiv für Dieselmotoren mit so genannten SCR-Katalysatoren eingesetzt wird. Deshalb können bei niedrigen Temperaturen die elektrischen Heizelemente aktiviert werden, um das Gefrieren zu vermeiden oder um das bereits gefrorene Medium aufzutauen.

Solche Fluid-Leitungssysteme bestehen in der Regel - vgl. insbesondere EP 1 985 908 A1 (Fig. 13, 14) sowie auch WO 2007/073286 A1 - aus mindestens einer Fluidleitung (Rohr- oder Schlauchleitung) mit zwei endseitigen Leitungsverbindern (Steckverbindern). Die Fluidleitung weist ein elektrisches Heizelement in Form einer z. B. schraubenlinienförmig über die Leitungslänge verlaufenden Heizdraht-Bewicklung auf, und zumindest einer der Leitungsverbinder (WO 2007/073286 A1 ) bzw. jeder der beiden Verbinder (EP 1 985 908 A1 ) ist ebenfalls mit einem elektrischen Heizelement insbesondere in Form einer Heizdraht-Bewicklung ausgerüstet. Üblicherweise sind alle Heizelemente elektrisch in Reihe geschaltet und mit einer gemeinsamen Strom- bzw. Spannungsversorgung verbindbar (vgl. dazu insbesondere EP 1 985 908 A1 , Fig. 14a, 14b). Daraus ergibt sich das Problem, dass die einzelnen Heizelemente bezüglich ihrer Heizleistung speziell für das jeweilige Leitungssystem ausgelegt werden müssen, und zwar insbesondere in Anpassung an die Länge der jeweiligen Fluidleitung. Dies führt zu einem großen Aufwand für eine Bereitstellung von verschiedenen Ausführungsvarianten.

Das Dokument EP 1 764 541 A1 beschreibt eine beheizbare Fluidleitung, bei der am Umfang des Leitungsrohres mindestens ein elektrischer Heizleiter und mindestens zwei elektrische Versorgungsleitungen in Längsrichtung des Leitungsrohres verlaufend angeordnet sind, wobei der Heizleiter alternierend mit einer der beiden Stromversorgungsleitungen elektrisch verbunden ist, und zwar alternierend am Pluspol und Minuspol der Versorgungsspannung. Hierbei liegen die Verbindungsstellen in Längsrichtung des Leitungsrohrs gesehen in gleichen Abständen hintereinander. Die Verbindung des elektrischen Heizleiters mit den Versorgungsleitungen erfolgt z. B. durch Löten, Schweißen oder Crimpen. Durch diese Ausgestaltung besitzt die Fluidleitung eine konstante Heizleistung pro Längeneinheit. Hierdurch kann die Fluidleitung in großen Längen vorgefertigt und in beliebiger Länge abgelängt werden, wobei jede abgelängte Leitungslänge pro Längeneinheit die gleiche Heizleistung aufweist. Diese bekannte Fluidleitung hat jedoch den Nachteil, dass sich relativ hohe Material kosten ergeben, da zusätzlich zu dem elektrischen Heizleiter oder den Heizleitern mindestens jeweils zwei Versorgungsleitungen mitgeführt werden müssen. Auch ergibt sich bei der Herstellung ein erhöhter Herstellungsaufwand durch die notwendigen alternierenden Verbindungsstellen zwischen dem Heizleiter und den Versorgungsleitungen. Jede derartig vorgefertigte beheizbare Fluidleitung besitzt eine festgelegte Heizleistung pro Längeneinheit. Sind aber unterschiedliche Heizleistungen pro Längeneinheit für unterschiedliche Anwendungsfälle erforderlich, ist eine Vorfertigung von verschiedenen beheizbaren Fluidleitungen mit den jeweils erforderlichen Heizleistungen pro Längeneinheit notwendig, so dass eine Bevorratung bzw. Lagerhaltung der vorgefertigten Fluidleitungen notwendig ist. Hieraus resultieren weiterhin erhöhte Herstellungskosten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und dazu ein Verfahren und ein Heizsystem zum Beheizen eines Fluid- Leitungssystems zu schaffen, um auf einfache und besonders wirtschaftliche und sehr effektive Weise die elektrische Heizleistung weitgehend unabhängig von der Leitungslänge und der Anzahl von elektrischen Heizelementen optimieren zu können.

Erfindungsgemäß wird dies zunächst mit dem in Anspruch 1 definierten Verfahren erreicht, wobei die Heizelemente elektrisch parallel betrieben werden und jedes Heizelement separat mit einem zur Einstellung seiner Heizleistung gesteuerten, insbesondere geregelten Betriebsstrom versorgt wird. Dazu wird bevorzugt jedes Heizelement separat mit einer eigenen Betriebsspannung versorgt, wobei jede Betriebsspannung aus einer Versorgungsspannung (insbesondere Gleichspannung einer Fahrzeug-Batterie) durch eine zur Regelung der Heizleistung mit einem bestimmten Tastverhältnis getaktete PWM-Steuerung (Pulsweitenmodulation) erzeugt wird. Hierbei resultiert der jeweilige Betriebsstrom aus einem Effektivwert der getakteten, gepulsten Betriebsspannung und einem jeweils aktuellen, temperaturabhängigen Widerstand des Heizelementes.

Vorteilhafterweise kann dabei die jeweilige Ist-Heizleistung jedes Heizelementes über eine Leistungsregelung durch Variation des PWM-Tastverhältnisses auf eine vorgegebene Soll-Heizleistung geregelt werden.

Ein erfindungsgemäßes Heizsystem ist gemäß dem Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente elektrisch parallel geschaltet und über jeweils ein separates Steuerglied einzeln zur individuellen Einstellung der Heizleistung steuerbar und insbesondere regelbar sind. Dazu werden die Steuerglieder von einer Reglereinheit zur Regelung der Heizleistungen der Heizelemente angesteuert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung enthalten.

Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung beispielhaft genauer erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrisch beheizbaren Fluid-

Leitungssystems in einer Perspektivdarstellung mit einem Heizsystem mit drei zusätzlich schematisch als Schaltungssymbole eingezeichneten Heizelementen, Fig. 2 ein schematisches Ersatzschaltbild des Leitungs- und Heizsystems nach

Fig. 1 ,

Fig. 3 ein weiteres Schaltbild eines erfindungsgemäßen Heizsystems in einer vereinfachten Darstellung,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Ansteuerung der Heizelemente in Parallelschaltung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Reglereinheit,

Fig. 6 ein vereinfachtes Blockschaltbild zum Grundprinzip der Reglereinheit,

Fig. 7 eine schematische Blockdarstellung einer Treiberstufe,

Fig. 8 ein Schaltbild ähnlich Fig. 3 mit einer alternativen Beschaltung der vorhandenen Heizelemente und

Fig. 9 Diagramme zur Erläuterung der PWM-Modulation der Versorgungsspannung zur Erzeugung der modulierten Betriebsspannungen für die Heizelemente.

In den verschiedenen Zeichnungsfiguren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist beispielhaft ein Fluid-Leitungssystem 1 dargestellt, welches aus einem Leitungssatz mit einer Fluidleitung L und zwei endseitigen Leitungsverbindern Vi und V ₂ sowie aus elektrischen Heizmitteln besteht. Als Heizmittel weist jeder Fluidverbinder Vi, V ₂ ein elektrisches Heizelement Ri bzw. Rs auf, und die Fluidleitung L ist mit einem weiteren Heizelement R ₂ ausgestattet. Alle Heizelemente (Heizwiderstände) können bevorzugt aus jeweils einer Heizdraht-Bewicklung bestehen. Es ist vorteilhaft, wenn die Heizelemente Ri, R ₃ der Leitungsverbinder Vi, V ₂ jeweils mit einem äußeren Gehäuse 2 umkapselt sind, und die Fluidleitung L weist einen äußeren, das Heizelement R ₂ umgebenden Mantel 4, beispielsweise in Form eines Wellrohrs auf. Innerhalb eines Fahrzeuges und bei der bevorzugten Anwendung für ein SCR- Katalysatorsystem bilden in der Regel mehrere einzelne Leitungssysteme 1 ein Gesamt-Leitungssystem, und zwar für die erforderlichen Fluid-Verbindungen zwischen einem Tank und einem Fördermodul (mit Vor- und Rücklauf) und zwischen dem Fördermodul und einer Dosiereinheit (als Einzelleitung oder auch mit Vor- und Rücklauf), wobei die Dosiereinheit das SCR-Reduktionsadditiv dosiert in einen Abgasstrang einbringt. Je nach Anordnung der zu verbindenden Aggregate innerhalb des jeweiligen Fahrzeuges können sehr unterschiedliche Längen der einzelnen Leitungen erforderlich sein, was auch einen Einfluss auf die Widerstände der jeweiligen Heizelemente und damit auch - bei vorgegebener Versorgungsspannung - auf deren Heizleistungen hat.

Deshalb ist gemäß Fig. 2 bis 4 erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Heizelemente Ri, R2, R3 elektrisch parallel geschaltet und mit jeweils einem separaten, vorzugsweise von einem Transistor gebildeten Steuerglied Ti, T ₂ , T ₃ (siehe Fig. 4) verbunden sind, wobei jedes Heizelement Ri, R ₂ , R3 über sein zugehöriges Steuerglied Ti, T ₂ , T ₃ zur individuellen Einstellung seiner Heizleistung steuerbar ist. Dadurch kann die Heizleistung konstant gehalten oder an bestimmte Bedingungen, wie insbesondere die jeweilige Außen- bzw. Umgebungstemperatur, angepasst werden, und zwar vorteilhafterweise individuell für jedes einzelne Heizelement des Leitungssystems 1. Zudem ist dadurch die Heizleistung unabhängig von der jeweiligen Betriebsspannung einstellbar. Bevorzugt sind die Steuerglieder Ti bis T ₃ zur Regelung der Heizleistungen der einzelnen Heizelemente Ri bis R ₃ jeweils separat, individuell von einer Reglereinheit 6 ansteuerbar, deren Regelgröße somit die jeweilige Heizleistung ist, indem die jeweilige tatsächliche Heizleistung als Istwert ermittelt und auf eine vorgegebene Soll-Heizleistung (Sollwert) geregelt wird. Als Sollwert kann somit jeweils eine bestimmte, zuvor unter Berücksichtigung bestimmter Parameter (wie z. B. Leitungslänge, Umgebungstemperatur und/oder dergleichen) ermittelte Heizleistung (P = U ^■ I) konkret vorgegeben werden. Es ist aber auch möglich, als Sollwert eine andere physikalische Größe (z. B. geometrische Parameter, wie Material, Anzahl, Durchmesser und Länge der Heizleiter, die Außen- bzw. Umgebungstemperatur, Betriebstemperatur des SCR-Systems und/oder eine vorgegebene Auftauzeit) vorzugeben, wobei dieser Sollwert dann vom System selbsttätig zu einer Soll- Heizleistung bzw. zu einer effektiven Spannung transformiert wird. Wie sich beispielhaft aus Fig. 1 ergibt, kann die Reglereinheit 6 innerhalb eines im Leitungsbereich angeordneten Anschlussgehäuses 8 untergebracht und über elektrische, in einem Mantel 10 (z. B. Wellrohr) verlaufende Anschlussleitungen und über Steckverbindungen 12 mit einer Versorgungsspannung U (s. dazu Fig. 2 und 3) verbindbar sein. Das Anschlussgehäuse 8 kann an jeder beliebigen Stelle der Fluidleitung L angeordnet sein, d. h. auch beabstandet von den Leitungsverbindern Vi, V ₂ . Die Reglereinheit 6 kann aber auch im Gehäuse 2 eines der Leitungsverbinder Vi, V ₂ untergebracht sein.

Die erfindungsgemäße Regelung basiert in der Hauptsache auf einer PWM- Ansteuerung der Steuerglieder Ti bis T ₃ , d. h. auf einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung mit hinsichtlich ihrer zeitlichen Breite variablen Schaltimpulsen. Dazu wird eine Versorgungsspannung U, in einem Fahrzeug die Batteriespannung von z. B. 9 bis 16 V oder 20 bis 32 V, über die Steuerglieder Ti bis T ₃ getaktet auf die einzelnen Heizelemente Ri bis R ₃ geschaltet. Die Regelung erfolgt dabei durch Variation des so genannten Tastverhältnisses bzw. des Modulationsgrades m.

Dazu wird auf Fig. 9 verwiesen, wonach innerhalb einer Gesamt-Schaltperiode T ein Impuls mit einer variablen Einschaltzeit t _an erzeugt wird. Die verbleibende Zeit ist als Ausschaltzeit mit t _aus bezeichnet. Dabei ist das Tastverhältnis definiert durch:

t-an m ⁼ —

Somit kann m einen Wert im Bereich von 0 bis 1 annehmen. Die so gebildeten Spannungsimpulse führen zu einem Effektivwert U _Θ ff = m ^■ U, der somit in einem Bereich von 0 % bis 100 % der Versorgungsspannung U liegen kann.

Werden die Heizelemente Ri bis R ₃ nun mit der jeweiligen getakteten Betriebsspannung Ui, U ₂ , U ₃ versorgt, so resultiert daraus - nach dem Ohm'schen Gesetz

. _ Ueff Ieff - -Y

- ein effektiver Strom h bis I ₃ (vergleiche Fig. 3), der sich aus dem jeweiligen Effektivwert der Betriebsspannung dividiert durch den jeweils aktuellen, temperaturabhängigen Widerstand R(T) des jeweiligen Heizelementes Ri bis R ₃ ergibt. Für die Heizleistung des jeweiligen Heizelementes bedeutet dies:

P = τn - U - I = τn - — R(T) = τn - I ² - R( ^V T) ^J

Daraus ergeben sich für Spannung und Strom annähernd Rechteckimpulse mit jeweils nur zwei Zuständen, zeitweise volle Versorgungsspannung / voller Strom und zeitweise spannungs- /stromlos (Pausen).

Das erfindungsgemäße Prinzip der Regelung ist in Fig. 6 vereinfacht dargestellt. Ein MikroController 14 ist in den Regelkreis integriert und enthält einen Regler 16 für das Tastverhältnis m eines PWM-Modulators 18, der eine Stellgröße u(t) für eine nachgeschaltete Regelstrecke 20 abgibt. Der Istwert am Ende der Regelstrecke 20 wird als Regelgröße y(t) über einen Sensor 22 abgegriffen und vorzugsweise über einen A/D-Wandler 24 als angepasste Rückführungsgröße y'(t) dem Regler 16 bzw. einem Addierer 26 zugeführt, der daraus und aus einem Sollwert (Führungsgröße) w(t) eine Regeldifferenz e(t) = w(t) - y(t) für den Regler 16 erzeugt. Mit z(t) ist noch eine Störgröße eingezeichnet, bei der es sich um (mindestens) eine von außen auf das System einwirkende Größe, wie z. B. die Außentemperatur (äußere Umgebungstemperatur) handelt. So erzeugt der Fahrtwind höhere Wärmeverluste. Es kann auch bereichsweise ein Wärmestau auftreten. Zudem kann es zu temperaturabhängigen Schwankungen des Widerstandes der Heizelemente kommen

Die Regelgröße des Leistungsreglers (Reglereinheit 6) ist die Heizleistung. Als Führungsgröße/Sollwert (Kennfeld) w(t) bzw. zu deren Festlegung können wahlweise folgende Größen verwendet werden (ggf. in teilweiser Kombination):

- effektive Spannung

- Temperatur des Heizelementes, des Fluids, der Fluidleitung und/oder des Leitungsverbinders

- eine vorgegebene Auftauzeit (insbesondere im Kombination mit der effektiven Spannung) - Heizleistung

- Widerstand des Heizelementes (R _m ιr/Rmax)

- geometrische Parameter (Heizelement: Art, Material, Anzahl, Durchmesser und Länge von Heizleitern)

- Umgebungstemperatur

- Betriebstemperatur des Fluidsystems.

Der Ausgang der Regelstrecke 20 wird konstant gehalten. Es handelt sich somit um das Prinzip einer Festwertregelung, wobei die Führungsgröße w(t) fest vorgegeben wird. Durch die Verwendung eines Festwertreglers ist es vorteilhafterweise möglich, bei Änderungen im Bereich des Fluid-Leitungssystems 1 bzw. bei Änderungen im Bereich der Wärmeübertragung zwischen Heizelement und Leitungssystem durch Ändern von nur einem Parameter, und zwar der Führungsgröße w(t), den Regler anzupassen.

In Fig. 5 ist beispielhaft ein Blockschaltbild einer Regelung für drei Heizelemente veranschaulicht, die selbst in Fig. 5 nicht dargestellt, sondern über ein Steckverbindungsteil 28 anschließbar sind. Für jedes Heizelement ist eine Treiberschaltung 30 (30.1 , 30.2 und 30.3) mit dem jeweiligen Steuerglied Ti, T ₂ , T ₃ vorgesehen. Jede Treiberschaltung 30 kann mit dem jeweiligen Steuerglied Ti, T ₂ , bzw. T ₃ als so genannter „High-Side-Driver" ausgeführt sein (vgl. Fig. 7). Der MikroController 14 enthält für jede Treiberschaltung 30 einen eigenen PWM-Modulator 18.1 , 18.2, 18.3. Jede Treiberschaltung 30 ist bei dem dargestellten Beispiel über einen Sensor 22.1 , 22.2, 22.3 mit einem eigenen Eingang ADC des MikroControllers 14 verbunden. Alternativ ist aber auch ein Multiplexer-Betheb über einen gemeinsamen Eingang ADC möglich. Die Versorgungsspannung U wird über einen Spannungsregler 32 in eine Speisespannung von insbesondere 5V umgeformt und dem MikroController 14 zugeführt. Weiterhin wird die Versorgungsspannung U auch allen Treiberschaltungen 30 zugeführt. Zusätzlich ist ein Spannungsteiler 34 zur Überwachung der Versorgungsspannung U und zum Detektieren der Eingangsspannungshöhe vorgesehen, da diese ja in verschiedenen Fahrzeugen unterschiedlich hoch sein kann. Mit den Treiberschaltungen 30 wird die Heizleistung jedes Heizelementes gesteuert.

Wie sich weiterhin aus Fig. 5 ergibt, ist der MikroController 14 zusätzlich mit einer Konstantstromquelle 36 verbunden, deren Ausgang über eine Schalteinrichtung 38 wahlweise einzeln auf jedes Heizelement geschaltet werden kann.

In Fig. 7 ist eine der Treiberschaltungen 30 stark vereinfacht dargestellt. Dazu sei bemerkt, dass die Treiberschaltung einen speziellen Ausgang 40 für ein dem jeweiligen Betriebsstrom des Heizelementes proportionales Sensorsignal aufweist, welches dem Sensor 22 zugeführt wird.

Im Folgenden soll die Funktion der Regelung genauer erläutert werden.

Zur Ermittlung des jeweils erforderlichen Tastverhältnisses m wird einerseits einmalig zur Initialisierung bei Betriebsbeginn sowie andererseits zyklisch während des Betriebs in jeweils einem Messzyklus für jedes Heizelement Ri bis R ₃ separat dessen aktueller Widerstand R(T) ermittelt und daraus mit der jeweils anliegenden Versorgungsspannung U das für die jeweils vorgegebene Soll-Heizleistung P _Sθ ιι erforderliche PWM-Tastverhältnis m ermittelt. Dazu wird in jedem Messzyklus bei vorübergehend ausgeschaltetem Betriebsstrom h bis b ein bestimmter Konstantmessstrom I _M aus der Konstantstromquelle 36 über die Schalteinrichtung 38 durch das jeweilige Heizelement geführt. Die daraus resultierende Spannung U _M wird über einen Operationsverstärker 42 auf einen ADC-Eingang des MikroControllers 14 geführt und dient der Auswertung der aktuellen Leistungsdaten. Aus dem Konstantmessstrom und dem zugehörigen Spannungsabfall kann der aktuelle Widerstand nach dem Ohm'schen Gesetz

R(T) = T-

bestimmt werden. Es kann dann das für die jeweils gewünschte Soll-Heizleistung P _Sθ ιι erforderliche PWM-Tastverhältnis m aus dem Produkt Soll-Heizleistung mal aktueller Widerstand dividiert durch das Quadrat der Versorgungsspannung bestimmt werden; es gilt

R(T) m — "soll " JJ2 Im Anschluss an jeden Messzyklus wird für jedes Heizelement R _n die Betriebsspannung mit dem so ermittelten Tastverhältnis m _n erzeugt: U _n = m _n ^■ U.

Der oben erwähnte Ausgang 40 jeder Treiberschaltung 30 liefert dann im Betrieb ein Stromsignal, welches einen zum jeweiligen Betriebsstrom (Istwert) proportionalen Referenzstrom darstellt. Der nachgeschaltete Sensor 22 integriert diesen Referenzstrom zur Erzeugung eines Spannungsmittelwertes. Allerdings kann alternativ der Spannungsmittelwert auch berechnet werden. Aus diesen Werten kann dann der Istwert der jeweiligen Heizleistung mit P| _St = m _n ^■ l ² _n ^■ R(T) bestimmt werden. Die Regelung regelt dann durch Variation des Tastverhältnisses m den Istwert auf die vorgegebene Soll-Heizleistung.

Wie sich noch aus den Diagrammen in Fig. 9 ergibt, werden vorzugsweise die Heizelemente bezüglich der PWM-Steuerung derart zeitversetzt angesteuert, dass sich ihre PWM-Signale (vgl. in Fig. 9 die Spannungsimpulse Ui, Ib und U3) nicht oder nur teilweise zeitlich überlappen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, die Heizelemente Ri und R ₃ mit den Betriebsspannungen Ui und U ₃ in den Pausenzeiten der Ansteuerung des Heizelementes R2 bzw. dessen Betriebsspannung U2 anzusteuern, wobei abweichend von der Darstellung in Fig. 9 auch die Spannungsimpulse Ui und U3 der Teil-Diagramme b) und c) relativ zueinander zeitlich versetzt innerhalb der Pause von U2 gemäß Diagramm a) liegen können (s. den beispielhaft in Diagramm b) schraffiert und gestrichelt angedeuteten Spannungsimpuls für Ui). Durch diese Maßnahme wird der maximale Gesamtstrom des Heizsystems vorteilhaft gering gehalten.

Wie beispielhaft in Fig. 8 dargestellt ist, können die Heizelemente Ri, R2 jeweils aus mehreren Einzel-Heizelementen bestehen, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sein können. Beispielhaft sind in Fig. 8 zwei Heizelemente Rn und Rι_2 von zwei verschiedenen Leitungen Li und L ₂ in Reihe geschaltet, so dass sie gemeinsam von der Reglereinheit 6 angesteuert werden. Weiterhin sind bei diesem Beispiel die Heizelemente Rvn, Rvi 2, Rv2 i und Rv22 aller Leitungsverbinder parallel geschaltet und werden demnach ebenfalls gemeinsam von der Reglereinheit 6 angesteuert. Es kann sich aber bei jedem einzelnen von der Reglereinheit 6 angesteuerten Zweig auch um eine beliebige andere Parallel- und/oder Reihenschaltung von jeweils mindestens zwei Einzel-Heizelementen handeln. Weiterhin sind bevorzugt Mittel zur Überwachung der Höhe der Versorgungsspannung U und zur automatischen Anpassung der Regelung an die jeweilige Versorgungsspannung U vorgesehen.

Im Folgenden sollen hinsichtlich der erfindungsgemäßen Regelung noch weitere vorteilhafte Möglichkeiten erläutert werden.

In der Reglereinheit 6 kann - insbesondere in Form einer gespeicherten Tabelle - ein Kennfeld zur Bestimmung des Sollwertes hinterlegt sein. Dieses Kennfeld kann aus den Parametern Heizleistung, Umgebungstemperatur, Betriebstemperatur des Fluid- Systems, bestimmten geometrischen Parametern, der vorgegebenen Auftauzeit und/oder dergleichen bestehen. Zudem kann in dem Kennfeld auch eine Temperaturänderungsgeschwindigkeit (dT/dt), eine Widerstandänderungsgeschwindigkeit (dR/dt) und/oder eine Geometrieänderungsgeschwindigkeit (beispielsweise ds/dt) hinterlegt sein. Letzteres berücksichtigt insbesondere Volumenänderungen des Fluids beim Gefrieren oder Auftauen, indem durch geeignete Sensoren eine axiale und/oder radiale Wegänderung erfasst wird.

Vorteilhafte Möglichkeiten für eine solche Sensorik zur Bestimmung des Aggregatzustandes eines Mediums in einer Fluid-Leitung sollen wie folgt beispielhaft beschrieben werden.

Die Veröffentlichung WO 2009/040223 A2 beschreibt eine Anschlussvorrichtung in Form einer Leitungs-Steckverbindung mit derart ausgebildeten Haltemitteln, dass ein eingesteckter und arretierter Steckabschnitt ausgehend von einer Normalbetriebsposition zur Vergrößerung eines innerhalb eines Anschlussteils mit dem Medium beaufschlagten Innenvolumens über einen bestimmten Weg hinweg gegen eine Rückstell kraft relativ zu dem Anschlussteil bewegbar ist. So kann also das gefrierende Medium (z. B. Harnstofflösung) sich ausdehnen. Um hierbei erkennen zu können, ob das Medium gefroren ist oder nicht bzw. ob die Medienleitung einsatzbereit ist oder nicht, können elektrische Messmittel integriert werden, um eine Auswertung des Aggregatzustandes des durchströmenden Mediums vornehmen zu können.

Da sich das gefrierende Medium ausdehnt, kann eine Wegmessung integriert werden. Dies kann beispielsweise über den so genannten Wiegand-Effekt, über Piezoelemente (kapazitive Sensoren), mit Hallgebern (induktive Sensoren) oder aber auch über einen aktiven Schwingkreis (aktive Sensoren) erfolgen. Ferner kann auch ein Lichtsignal (Lasersignal) mittels eines Glasfaserkabels in die Anschlussvorrichtung eingespeist werden, um damit eine Reflexionsänderung zu messen. Auch ist es denkbar, mit Dehnungsmessstreifen die Wegänderung zu messen.

1. Piezoelement

Es werden Piezoelemente angebracht, die so angeordnet sind, dass diese bei einer axialen Wegänderung durch die Volumenausdehnung des gefrorenen Mediums elastisch verformt werden.

2. Hallsensor

Die Wegmessung erfolgt über mindestens einen Hallsensor. Durch die Volumenänderung des Mediums wird die axiale Wegänderung gemessen.

3. Dehnungsmessstreifen (DMS)

Diese Dehnungsmessstreifen werden so angebracht, dass eine axiale/radiale Volumenausdehnung (Wegänderung) messbar ist.

4. Wiegand-Sensor

Ein Wiegand-Draht ist als Federelement ausgeführt, wodurch der Wiegand-Effekt erzeugt wird. Das Federelement hält einen Kolben gegen den Betriebsdruck des fluiden Mediums in einer stabilen Lage, kann alternativ auch als Zusatzfeder angebracht sein.

Der Wiegand-Draht besteht aus einer speziellen Legierung:

- Mantel: hartmagnetisches Metall

- Kern: weichmagnetisches Metall

Es kommt zu einer sprunghaften Ummagnetisierung des Kerns. Dieser Ummagnetisierungsspannungspuls kann mit Hilfe einer Spule, die den Wiegand- Draht umgibt, gemessen und damit der Aggregatzustand des Fluid ausgewertet werden.

5. Einleitung von Lichtsignalen/Laserimpuls; Sensorik mittels Licht-Dispersion

Der Verbinder ist im Schaftbereich zur Fluidleitung lasertransparent, so dass mit einem Laser direkt in das Medium durch den Schaft des Verbinders gepulst und damit die Reflexion des Mediums, die Ablenkung des Lichts bzw. das Durchtreten des Lichts bis auf die andere Seite des Verbinders in Empfänger (Lichtsensoren), die radial am Schaft des Verbinders angeordnet sind, gemessen und somit der Aggregatzustand des Mediums (gefroren, flüssig) bzw. das Nichtvorhandensein des Mediums festgestellt werden kann.

6. Aktiver Schwingkreis, Sensorik mittels Frequenzänderung

Es werden eine Spule als Sender und eine zweite Spule als Empfänger so angeordnet, dass das Medium zwischen diesen Spulen ist. Es wird eine Frequenz auf die Sendespule gegeben, wodurch ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Dieses erzeugte Feld (die Feldstärke) wird vom Empfänger aufgenommen. Mit den verschiedenen Aggregatzuständen sind auch die Feldstärkenänderungen messbar und auswertbar.

Weiterhin kann durch eine empirische Formel als Funktion der Temperatur (im Heizelement) und der Zeit oder der Änderungsgeschwindigkeit der Heizelement- Widerstandswerte (dR/dt ≠ 0) oder über ein entsprechendes Kennfeld bestimmt werden, ob das gefrorene Fluid aufgetaut ist bzw. ob überhaupt ein Fluid vorhanden ist und die Fluid-Leitung einsatzbereit ist.

Es kann eine Überwachung des PWM-Tastverhältnisses m über die Zeit erfolgen. Bleibt das PWM-Tastverhältnis m über eine bestimmte Zeit in einem gewissen Bereich konstant, d. h. die Heizleistung bleibt konstant und schließlich die Temperatur im Heizelement, da der Widerstand des Heizelementes bzw. die Änderungsgeschwindigkeit der Widerstandswerte konstant bleibt, kann über ein Kennfeld bestimmt werden, ob das gefrorene Medium aufgetaut ist bzw. ob ein Medium vorhanden und aufgetaut ist und die Fluid-Leitung einsatzbereit ist. Weiterhin kann optional ein Temperaturfühler für die Außen-/Umgebungstemperatur und/oder für die Innentemperatur im Fluid und/oder ein geeigneter Sensor zur Erfassung einer Fluid-Volumenänderung beispielsweise durch eine Wegmessung integriert werden, um davon abhängig verschiedene Parameter für die Regelung vorzugeben und beispielsweise die Heiztemperatur konstant zu halten.

Es besteht weiterhin die vorteilhafte Möglichkeit, das jeweilige Fluid zu erkennen und zu bestimmen. Dazu kann das Auftauverhalten des jeweiligen Mediums über ein in der Reglereinheit abgelegtes Kennfeld beschrieben sein, beispielsweise über die Temperaturänderung und Zeitdifferenz. Durch einen Vergleich mit diesem gespeicherten Kennfeld kann erkannt werden, um welches Medium es sich handelt, beispielsweise ob es tatsächlich ein SCR-Medium (wässrige Harnstofflösung) ist oder nicht. Durch diese vorteilhafte Maßnahme kann eine eventuelle Falsch-Betankung des Fahrzeugs erkannt werden.

Weiterhin kann eine mittelbare Temperaturmessung erfolgen. Anhand der Daten des Heizelementes (elektrischer Widerstand und geometrische Daten, beispielsweise Durchmesser bzw. Querschnitt und Länge eines Heizleiters) und einer durch eine Konstant-Stromquelle gewonnenen Spannung am Widerstand des Heizelementes kann die aktuelle Temperatur bzw. ein Temperaturbereich im Heizelement berechnet werden (über den temperaturabhängigen Widerstand).

Das erfindungsgemäße Heizsystem kann mit Vorteil in ein „On-Board-Diagnose- System" (OBD) einbezogen werden. Dazu kann das erfindungsgemäße System, insbesondere die Reglereinheit 6, an einen so genannten CAN-BUS (Schnittstelle zur OBD) angebunden sein. Über diese Anbindung lässt sich die Temperatur über eine ID einlesen, um davon abhängig verschiedene Parameter bzw. über eine Kennfeld- Abfrage die Leistungszufuhr für die Regelung vorzugeben und beispielsweise die Heiztemperatur konstant zu halten oder auch die Heizung abzuschalten, um in bestimmten Bethebszuständen Energie einzusparen. Vorteilhafterweise führt hierbei die erfindungsgemäße Regelung selbstständig eine Funktionsprüfung und Fehlerdiagnose der Leitung durch und gibt die Information an die OBD-Unit mittels CAN-BUS weiter, ob die Leitung einsatzbereit ist oder nicht. Dies bedeutet, dass die OBD kein Signal an den Regler für den Start der Funktionsprüfungen der Leitung abgibt, vielmehr führt dies das erfindungsgemäße Heizsystem bzw. die Reglereinheit selbst aus. Hinsichtlich der oben erläuterten PWM-Ansteuerung ist ergänzend zu erwähnen, dass ein bevorzugtes PWM-Frequenzband aufgrund der thermischen Trägheit des Systems im Bereich von 0,1 Hz bis 1 kHz liegt. Hierbei wird bevorzugt eine Periodendauer von 50 ms, also eine Frequenz von 20 Hz vorgegeben.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Regelung können alle Heizelemente (bei allen Komponenten des Fluid-Leitungssystems 1 , insbesondere bei den Leitungsverbindern Vi, V ₂ ) gleich, d. h. mit gleichen Eigenschaften/Werten, ausgebildet sein, weil die Heizleistung über die Regelung individuell eingestellt werden kann. Somit können die Heizelemente insbesondere der Leitungsverbinder stets beispielsweise aus dem gleichen Heizleiter-Material bestehen und somit unabhängig hergestellt werden.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Systems können zusätzliche Sensoren verwendet werden:

- Innen-/Außen-Temperatursensoren

- Innen-/Außen-Drucksensoren (insbesondere Dehnungsmessstreifen zur Erfassung einer Volumen- bzw. Druckänderung beim Einfrieren oder Auftauen des Fluids)

- Temperaturschalter zur Auftau-/Einfher-Erkennung, wobei ein beliebiges Referenzmedium (Harnstofflösung oder anderes) sich außerhalb der Fluidleitung in einem hermetisch dichten Gefäß befindet, wobei dieses Gefäß mit einer Druckdose verbunden ist. Die Druckdose betätigt einen Schaltkontakt.

- Temperaturabhängige Widerstandsmessung

- Widerstandsänderungsgeschwindigkeit dR/dt

Das erfindungsgemäße System arbeitet verlustleistungsoptimiert, der Regler benötigt keinen Kühlkörper. Durch den Regler kann eine Fehlererkennung und Fehlerauswertung bezüglich des Leitungssystems und insbesondere eine Rückmeldung an die OBD-Unit erfolgen, insbesondere zur Erkennung, ob das System funktionsfähig ist. Hierbei werden beispielsweise folgende Kriterien berücksichtigt:

- Leitung defekt (Kurzschluss, Übertemperatur im Treiber)

- Leitung zu heiß

- Leitung wird nicht warm

- Kein Fluid in der Leitung

- Batteriespannung außerhalb eines bestimmten Arbeitsbereiches

- Sensorsignal außerhalb eines Arbeitsbereiches

- Widerstandswerte außerhalb eines Betriebsbereiches

Aufgrund der Ansteuerung der Heizelemente mit PWM-Impulsen sollten Maßnahmen zur EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) vorgesehen sein:

- Verwendung von geschirmten Leitungen/Kabeln

- Abgeschirmtes Gehäuse für die Regelung

o Werkstoff des Gehäuses selbst ist elektrisch leitend

o metallische Folie (z. B. AIu) in das Gehäuse einbringen (Auskleben, Auskleiden)

- Abschirmung um alle Heizelemente, d. h. im Bereich des Leitungsmantels 4 und im Bereich der Gehäuse 2 der Leitungsverbinder, wobei diese Abschirmung verklebt oder nicht verklebt und ausgebildet sein kann als ^'

o Drahtgeflecht

o Foliengeflecht

o (gewickelte, ggf. selbstklebende) Folie, die zweckmäßigerweise auch als Hitzeschutz verwendet werden kann - die Abschirmung kann zur Fixierung des Heizelementes insbesondere im Bereich der Fluidleitung genutzt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im jeweiligen unabhängigen Anspruch definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des jeweiligen unabhängigen Anspruchs weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.