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Heizgriffsteuerung

Nach vielen Experimenten habe ich nun die für mich beste Lösung zur Steuerung der Heizgriffe gefunden.
Griffheizung Griffheizung Griffheizung
Ein kleines, gefrässtes Alu-Kästchen dass an der linken Lenkerarmatur befestigt wird. Die Bedienung erfolgt über einen einzelnen Taster. Die eingestellte Heizleistung wird über 4 LEDs signalisiert.

Details

Das Kästchen ist aus einem Stück Alu herausgefrässt und Pulverbeschichtet. An der Rückseite ist ein passend gelasertes Blech angeschraubt. Die Befestigung erfogt über eine am Kupplungsgriff vorhandene Schraube. Der Taster ist ebenfalls aus Metall und wasserdicht. Die LEDs sind eingeklebt. Das Steuerkabel geht am Lenker entlang zur Elektronik die hinter der Frontverkleidung montiert ist.

Als LEDs sind 3 unterschiedliche Farben eingesetzt, blau, orange, orange und rot. Mit zunehmender Heizleistung wandert die Farbe von blau nach rot. Zwischenschritte werden durch gleichzeitiges Leuchten von jeweils 2 LEDs dargestellt. Somit sind insgesamt 8 Stufen einstellbar. Zuviele Stufen haben sich als unpraktisch und überflüssig erwiesen.

Elektronik

Die Elektronik sitzt versteckt hinter der Frontverkleidung. Von dort wird alles zentral verkabelt. In die Batterieleitung kann noch eine Sicherung eingesetzt werden:
Griffheizung Griffheizung Griffheizung

Bedienung

Ein kurzer Tastendruck erhöht die Heizstufe, ein langer Tastendruck verringert sie. Alternativ kann auf einen umlaufenden Zählmodus umgeschaltet werden. Dann wird nur aufwärts gezählt und nach dem Maximum auf Null gesprungen.

Die Elektronik arbeitet als elektronisches Relais. Die Heizleistung wird über eine Änderung der Ein-/Ausschaltdauer der Heizgriffe erreicht. In der Software sind weitere Besonderheiten eingebaut:

- Um die Batterie während und nach dem Motorstart zu schonen wartet die Elektronik nach dem Einschalten 10 Sekunden bevor die Heizung zugeschaltet wird.
- Die nachfolgenden 30 Sekunden wird auf volle Leistung geschaltet um möglichst schnell die Wunschtemperatur zu erreichen.
- Die Wartezeiten können abgeschaltet werden.
- Beträgt die Heizleistung weniger als 50% werden rechter und linker Griff wechselweise geschaltet um Spitzenströme zu vermeiden.
- Für besonders leistungsfähige Heizungen kann die ganze Heizkurve auf 50% halbiert werden.
- Die zuletzt eingestellte Heizleistung wird gespeichert und beim nächsten Einschalten wiederhergestellt.

Nachfolgend ein kurzes Video von der Bedienung:
Griffheizung

Die zugehörige Anleitung:
Griffheizung_HW10_SW18 - 4 LEDs - Anleitung

Spezielle Version

Falls kein Platz für 4 LEDs vorhanden ist kann auch eine einzelne 3-Farb-LED benutzt werden. Die Leistungsstufen sind in diesem Fall auf 6 reduziert weil die Farbunterschiede sonst nicht mehr unterscheidbar sind. Die Software ist entsprechend angepasst.
Griffheizung_HW10_SW18 - 3 LEDs - Anleitung

Tipps und Erfahrungen

Heizgriffe mit simplen 3-Stufen Schaltern sind nicht in der Praxis nicht wirklich tauglich. Sie sind entweder zu heiss oder zu kalt. Als Folge muss man ständig hin und her Schalten. Eine zusätzliche Regelung ist gut investiertes Geld. Günstige Varianten sind z.B.:
http://www.enduro-stammtisch.de/module/ghz.htm
oder
http://www.alpentourer.de/shop/bestellen/bestellen.html

Viele grosse Hersteller (Daytona, Oxford, Saito,..) bieten direkt Modelle mit hübschem Bedienteilen zur Lenkermontage an. Da ist für jeden Geschmack und Geldbeutel was dabei.

Heizgriffe und Steuerung lassen sich normalerweise beliebig kombinieren, wobei man die aber üblicherweise sowieso im Bundle kauft.

Heizpatronen im Lenker sind eine Alternative. Man kann dabei die originalen Griffgummies beibehalten. Ein bekannter Anbieter ist dieser:
http://www.coolride.de/
Einziges Problem ist die Montage. Üblicherweise sind in den Lenkerenden Gewichte eingeschweisst die man vorher entfernen muss.
Heizpatronen haben typischerweise höhere Heizleistungen als Griffe weil die Wärme indirekter übertragen wird. Kein wirkliches Manko, und die meisten Steuerungen kommen damit zurecht.


Historie

Die folgenden Kapitel enthalten alte Berichte über die verschiedenen Entwicklungsstadien und die dabei gemachten Gedanken.

Gute Unterhaltung!


Heizgriffe Teil 1, wie alles begann

Der Weihnachtsmann hat mir einen Satz Heizgriffe gebracht, schönen Dank dafür :-). Und natürlich würde ich das hier garnicht erwähnen wenn ich nicht wieder was gebastelt hätte.
Das Set ist von Saito und besteht im wesentlichen aus 2 Griffen mit Heizdrähten und einem "groben" Schalter (Modell "Sibirien").
Griffheizung
Fett und hässlich, aber ich werde ihn wohl erstmal verwenden müssen :-/.
Als Ergänzung habe ich mir eine Steuerung einfallen lassen die die Heizleistung entsprechend der Umgebungstemperatur steuert.

Temperatursteuerung für die Heizgriffe

Der erste Prototyp der Steuerung ist fertig. Oberseite, Unterseite, Beschaltung:
Griffheizung Griffheizung Griffheizung

Alle Leitungen werden über Klemmleisten verbunden. Mit dem Wahlschalter wird eine Heiz-Kennlinie ausgewählt. Die LEDs signalisieren den Zustand der Heizelemente. Temperaturfühler ist ein NTC der die Umgebungstemperatur misst. Der Leistungskreis sitzt direkt an der Batterie (kein zusätzliches Relais), der Steuerteil wird über die Zündung eingeschaltet. Die Schaltung passt in ein Gehäuse 37 x 53mm.

Wie funktioniert's ?

Meine Elektronik sitzt zwischen dem Lenkerschalter und den Heizgriffen. Sie übernimmt als elektronisches Relais das Schalten der Heizung.

Normalerweise wird eine Griffheizung über den am Lenker befestigten Schalter kontrolliert. Der Schalter ist rein mechanisch und schaltet die Heizelemente entweder in Reihe (LO) oder parallel (HI) zur Batterie. Bei meinem Modell gibt es 3 Schaltstufen:
- "OFF" (na was macht die wohl?)
- "HI" (höchste Leistung)
- "LO" (niedrige Leistung)

In der Schaltstellung "LO" wird die Steuerung aktiviert. Ein Mikroprozessor bestimmt mit Hilfe eines Sensors die Umgebungstemperatur und stellt die Leistung der Heizelemente entsprechend einer vorgegebenen Kennlinie ein. Die Temperatur der Griffe wird somit konstant gehalten.

Die Schaltstellungen "HI" und "OFF" funktionieren unverändert wie bisher, man kann die Heizung manuell kontrollieren.

Die Stellung der Leistung erfolgt durch Veränderung des Ein/Aus-Schaltverhältnisses (Duty-Cycle). Der Regelbereich beträgt 0 ... 100%. Für jeden Heizgriff ist ein eigener, unabhängiger Leistungsschalter vorgesehen. Als Heizkennlinie sind momentan folgende Möglichkeiten vorgesehen:

- Einschalten (100%) unterhalb einer festen Temperatur:
20°C, 16°C, 12°C, 8°C, 4°C, 0°C

- Einschalten mit proportionaler Steuerung zur Aussentemperatur. Zwischen oberem und unterem Temperatur-Grenzwert wird die Leistung zwischen 0% und 100% verändert:
(untere Grenze - obere Grenze):
16°C - 20°C
12°C - 16°C
8°C - 12°C
8°C - 16°C
4°C - 12°C
4°C - 16°C
0°C - 12°C
Unterhalb der Grenzen beträgt die Leitung konstant 100%, oberhalb 0%.

Die Kennlinien sind in dieser Reihenfolge mit dem Kodier-Wahlschalter auf der Platine auswählbar. Normalerweise wählt man eine fixe Einstellung die dann immer bei Stellung "LO" aktiv ist.

Einige Extras sind noch zusätzlich vorhanden. Ein verzögerter Start kann gewählt werden um die Heizung erst zu aktivieren wenn sich die Batterie vom Motorstart etwas erholt hat (~15s). Weiterhin ist es möglich anfangs automatisch für begrenzte Zeit mit voller Leistung zu heizen um die thermische Trägheit zu kompensieren und das Aufheizen zu beschleunigen.
Heizelemente mit sehr hoher Leistung können im "Gegentakt" betrieben werden um die Gesamtströme niedrig zu halten. Die Maximalleistung sinkt dann auf 50%.

Heizdrähte

Die Heizgriffe von Saito haben jeweils einen Widerstand von ~10 Ohm, bei 14V Batteriespannung entspricht das 19.6W pro Griff. Werden beide parallel an die Batterie geklemmt ergibt sich ein Strom von 2.8A.

Die Heizgriffe von Daytona haben jeweils einen Widerstand von ~4 Ohm, bei 14V Batteriespannung entspricht das 49W pro Griff. Werden beide parallel an die Batterie geklemmt ergibt sich ein Strom von 7A. Diese sehr hohe Leistung ist lt. Anleitung nur für kurze Zeit zulässig. Im Normalbetrieb sollten die Griffe daher in Reihe geschaltet werden. Die resultierenden 8 Ohm Gesamtwiderstand ergeben eine Leistung von 24.5W (pro Griff 12.25W) und einen Strom von 1.75A.

Im Gegentakt-Betrieb werden die Griffe einzeln abwechslend im Takt aktiviert (effektiver maximaler Duty-Cycle pro Griff 50%). Der Peak-Strom beträgt 3.5A, die gemittelte Leistung pro Heizelement 24.5W.

Elektronik

Als Schaltelemente werden sog. Power-MOSFETs eingesetzt. Diese können maximal 50A schalten und haben einen On-Widerstand von 15 milli-Ohm. Eine Kühlung ist somit unnötig.
Die Schaltung besitzt keinen Schalter um sie von der Batterie zu trennen. Sobald die Steuerelektronik keine Spannung mehr erhält (Zündungsplus) sperren die MOSFETs automatisch. Der verbleibende Leckstrom ist praktisch nicht messbar.Die Zyklus-Zeit des Duty-Cycle beträgt ~7 Sekunden. Im Gegentakt-Betrieb sind die Kanäle wechselweise nur jeden zweiten Zyklus aktiv.
Der Prozessor ist ein ATmega168 von Atmel.
Zur Kontrolle leuchtet eine rote LED wenn der Heizstrom eingeschaltet ist. Eine weitere LED signalisiert den aktuellen Zustand desProzessors.

Regelung - Steuerung

Üblicherweise gehen die beiden Begriffe im alltäglichen Sprachgebrauch etwas durcheinander:
- Ein Regelung besitzt üblicherweise einen Sensor der in diesem Fall die aktuelle Temperatur misst. Weicht sie von einem eingestelltem Sollwert ab wird entsprechend der Differenz die Heizleistung angehoben. Das bemerkt der Sensor und es stellt sich ein Heiz-Gleichgewicht ein.
- Eine Steuerung hat auch einen Sensor und liefert ein Stellsignal, es gibt aber keinerlei Rückwirkungen der Heizung auf den Sensor. Die Regelschleife ist nicht geschlossen. Meine Heizgriffe werden kaum in der Lage sein das Weltklima zu beeinflussen ...
Diese spitzfindige Unterscheidung ist im Alltag natürlich unwichtig. Hauptsache die Finger behalten die richtige Temperatur.

Prototypen

Der Werdegang der Steuerung in Bildern. Das erste Muster auf Lochraster mit vielen Fädeldrähten.
Griffheizung Griffheizung
Griffheizung

Als Dummy für die Heizelemente sind Leistungswiderstände mit parallelgeschalteter Indikator-LED angeklemmt. Zur Ausgabe von internen Werten (debugging) ist eine serielle Schnittstelle hinzugefügt. Zum Programmieren ist ein 5-poliges Kabel vorhanden.

Heizgriffe Teil 2

Die Regelung aus dem ersten Teil brachte leider nicht das gewünschte Ergebnis. Die Elektronik funktionierte zwar einwandfrei, aber es war sehr schwierig eine passende Heizkurve zu finden. Die thermische Trägheit des Systems und die relativ schwache Heizleistung der Griffe sind ein Problem. Als Konsequenz habe ich deshalb im zweiten Anlauf eine manuelle Steuerung gebaut. Die gewünschte Heizleistung wird mit 2 Taster direkt und fest gewählt.

Bedienteil

Schwachpunkt war bisher die immer beschränkte Bedienbarkeit und Einstellmöglichkeiten der serienmässigen Schalter am Lenker. Daher habe ich mir eine andere Lösung ausgedacht. Sie besteht aus 2 Taster und 4 LEDs und wird am Lenker montiert. Die mechanische Umsetzung hat dankenswerterweise Kollege Thomas übernommen.

Griffheizung Griffheizung
Griffheizung

Das Gehäuse (aus Alu) wird am Lenker geklemmt. Die 2 wasserdichten Taster sind für die Bedienung, die 4 LEDs zeigen die momentane Heizleistung an. Jede LED hat 2 Helligkeitswerte um auch Zwischenwerte anzeigen zu können.

Elektronik

Die Elektronik der Steuerung basiert auf der gleichen Platine wie Version 1. Ein mehrpoliges Kabel geht zur Bedieneinheit am Lenker. Die Heizgriffe sind direkt mit der Elektronik verbunden:
Griffheizung Griffheizung Griffheizung

Die Leitungen für hohe Ströme werden über Klemmleisten verbunden, zum Bedienteil genügen dünne Strippen. Der Leistungskreis sitzt direkt an der Batterie (kein zusätzliches Relais), der Steuerteil wird über die Zündung eingeschaltet. Die Schaltung passt in ein Gehäuse 37 x 53mm.

Wie funktioniert's ?

Über die Taster wird die gewünschte Heizleistung schrittweise rauf- oder runtergesetzt. Neben den beiden Extremwerten gibt es noch 7 Zwischenwerte. Die Elektronik arbeitet als elektronisches Relais. Ein paar Besonderheiten sind noch in die Software eingebaut:

- Um die Batterie während und nach dem Starten zu schonen wartet die Elektronik nach dem Einschalten 12 Sekunden bevor die Heizung eingeschaltet wird.

- Die ersten 24 Sekunden wird auf volle Leistung geschaltet um möglichst schnell die Wunschtemperatur zu erreichen.

- Beträgt die Heizleistung weniger als 50% werden rechter und linker Griff wechselweise geschaltet um Spitzenströme zu vermeiden.

Die zuletzt eingestellte Heizleistung wird gespeichert und beim nächsten Einschalten wieder eingestellt.

Heizgriffe Teil 3

Die letzte Version der Heizgriffsteuerung (siehe Teil 2) hat bereits sehr gut und zuverlässig funktioniert. Man findet aber trotzdem immer wieder Kleinigkeiten die verbessert werden könnten. Daher nun Version 3.

Bedienteil

Kollege Thomas hat einmal mehr ein erstaunliches Meisterstück gezaubert! Den vorhergehenden Entwurf des Bedienteils hat er verfeinert und Schwachpunkt ausgebügelt. Zur Kröhnung hat er es sogar noch schwarz eloxiert. Nochmals meinen grössten Respekt und Dank dafür.

Griffheizung Griffheizung Griffheizung
Griffheizung Griffheizung Griffheizung

Das Gehäuse besteht aus schwarz eloxiertem Aluminium und wird über 2 Schrauben am Lenker geklemmt. Mit den 2 wasserdichten Tastern wird die Heizleistung eingestellt. Sie sind extra gross und robust um auch mit Handschuhen gut bedient werden zu können. Die 4 LEDs zeigen die momentane Heizleistung an. Jede LED hat 5 Helligkeitswerte um auch Zwischenwerte anzeigen zu können. Das Anschlusskabel zur Elektronik wird an der Unterseite des Lenkers heraus geführt. Im Inneren wurde viel gefrässt um Platz für die Verdrahtung zu haben.

Elektronik

Die Elektronik der Steuerung basiert auf der gleichen Platine wie Version 1 und 2. Ein mehrpoliges Kabel geht zur Bedieneinheit am Lenker. Die Heizgriffe sind direkt mit der Elektronik verbunden:
Griffheizung Griffheizung Griffheizung

Die Leitungen für hohe Ströme werden über Klemmleisten verbunden, zum Bedienteil genügen dünne Strippen. Der Leistungskreis besteht aus 2 MOSFET Transistoren und ist direkt mit der Batterie verbunden (kein zusätzliches Relais), der Steuerteil wird über die Zündung eingeschaltet. Die Schaltung passt in ein Gehäuse 37 x 53mm.

Wie funktioniert's ?

Über die Taster wird die Heizleistung schrittweise verändert. Neben den beiden Extremwerten (keine bzw. maximale Leistung) gibt es weitere 19 Zwischenwerte. Die Elektronik arbeitet als elektronisches Relais. Die Heizleistung wird über eine Änderung der Ein-/Ausschaltdauer der Heizgriffe erreicht. In der Software sind weitere Besonderheiten eingebaut:

- Um die Batterie während und nach dem Motorstart zu schonen wartet die Elektronik nach dem Einschalten 10 Sekunden bevor die Heizung eingeschaltet wird.

- Die nachfolgenden 20 Sekunden wird auf volle Leistung geschaltet um möglichst schnell die Wunschtemperatur zu erreichen.

- Beträgt die Heizleistung weniger als 50% werden rechter und linker Griff wechselweise geschaltet um Spitzenströme zu vermeiden.

- Die zuletzt eingestellte Heizleistung wird gespeichert und beim nächsten Einschalten wieder eingestellt.

- Die Wartezeiten können über eine Programmierfunktion abgeschaltet werden. Ebenso können damit die Tasterfunktionen getauscht und die Laufrichtung des LED-Dands umgedreht werden, falls das Bedienteil umgedreht montiert wird (rechte Lenkerseite).

In der Praxis

Hier ein kleines Testvideo zur Funktion der Griffheizung. An Stelle der Heizgriffe sind Lastwiderstände angeschaltet, die roten LEDs zeigen an wann der jeweilige Griff eingeschaltet ist.

Das Video beginnt direkt nach dem Einschalten. Zu Beginn wird 10 Sekunden ohne Leistung abgewartet, danach 20 Sekunden mit maximaler Leistung. Nachfolgend wird die Leistung über die Taster mehrmals verändert. Abspeichern der eingestellten Werte wird durch kurzes Aufblinken aller vier LEDs angezeigt.

Griffheizung

Einbau

Und hier ein paar Bilder vom Einbau. Die Elektronik verschwindet in einem Plastik-Kistchen hinter der Frontscheibe. Die Stromversorgung erfolgt über die zeitgleich verlegten neuen Batterie-Kabel für die Licht-Verbesserung. Durch die Quetschverbinder auf den Leitungsenden fransen diese nicht aus und die Klemmen auf der Platine bekommen optimalen Kontakt.
Die Heizgriffe sind Modelle von Daytona die bis zu 50W pro Griff umsetzen können. Zur Montage habe ich speziellen Epoxi-Kleber von DELO benutzt (gibt's bei Louis).
Griffheizung Griffheizung
Griffheizung