DE102019218348A1 - Elektrische heizvorrichtung für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Elektrische heizvorrichtung für ein kraftfahrzeug Download PDF

Info

Publication number
DE102019218348A1
DE102019218348A1 DE102019218348.4A DE102019218348A DE102019218348A1 DE 102019218348 A1 DE102019218348 A1 DE 102019218348A1 DE 102019218348 A DE102019218348 A DE 102019218348A DE 102019218348 A1 DE102019218348 A1 DE 102019218348A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
voltage
network
sub
control
heating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019218348.4A
Other languages
English (en)
Inventor
Andreas Bilhöfer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Original Assignee
Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eberspaecher Catem GmbH and Co KG filed Critical Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Priority to DE102019218348.4A priority Critical patent/DE102019218348A1/de
Priority to US17/104,020 priority patent/US20210160966A1/en
Priority to CN202011342486.9A priority patent/CN112849057A/zh
Publication of DE102019218348A1 publication Critical patent/DE102019218348A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/03—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/60—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors
    • H03K17/605—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00421—Driving arrangements for parts of a vehicle air-conditioning
    • B60H1/00428—Driving arrangements for parts of a vehicle air-conditioning electric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/22—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant
    • B60H1/2215—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant the heat being derived from electric heaters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/22—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant
    • B60H1/2215—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant the heat being derived from electric heaters
    • B60H1/2218—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant the heat being derived from electric heaters controlling the operation of electric heaters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/60—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors
    • H03K17/605—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
    • H03K17/61—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit using transformer coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/6871—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the output circuit comprising more than one controlled field-effect transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/689—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/689—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
    • H03K17/6895—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit using acoustic means
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/78—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled
    • H03K17/795—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled controlling bipolar transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H05B1/0236—Industrial applications for vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0019—Circuit arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/20—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules having different nominal voltages
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/002—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements
    • H05B2203/005—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements using multiple resistive elements or resistive zones isolated from each other
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/02—Heaters using heating elements having a positive temperature coefficient
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/022—Heaters specially adapted for heating gaseous material
    • H05B2203/023—Heaters of the type used for electrically heating the air blown in a vehicle compartment by the vehicle heating system
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/80—Technologies aiming to reduce greenhouse gasses emissions common to all road transportation technologies
    • Y02T10/88—Optimized components or subsystems, e.g. lighting, actively controlled glasses

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Zweispannungsbordnetz. Die Heizvorrichtung wird über eine Stromversorgung aus dem Teilnetz mit höherer Nennspannung (zum Beispiel 48 V) betrieben, aber durch eine Steuereinrichtung in dem Teilnetz mit niedrigerer Nennspannung (zum Beispiel 12 V) angesteuert. Zu diesem Zweck verfügt die Heizvorrichtung über einen Versorgungsanschluss in dem Teilnetz mit höherer Nennspannung und einen Steueranschluss in dem Teilnetz mit niedrigerer Nennspannung. Der Steueranschluss befindet sich insbesondere an einer in die Heizvorrichtung integrierten Steuereinrichtung, die mit einem Steueranschluss eines Schaltelements (Leistungshalbleiters) zum Steuern der Heizvorrichtung über ein kapazitives Trennelement verbunden ist, um eine Potentialtrennung der beiden Teilnetze zu gewährleisten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung eine elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz, in dem nebeneinander zwei verschiedene Spannungsquellen (Batterien) unterschiedliche Gleichspannungen bereitstellen, mit denen jeweils eine Anzahl von Verbrauchern in einem entsprechenden Teilnetz des Kraftfahrzeug-Bordnetzes betrieben werden („Zweispannungsbordnetz“).
  • Generell dient ein Kraftfahrzeug-Bordnetz dazu, eine Vielzahl von Steuergeräten und Signalkomponenten in einem Kraftfahrzeug mit Strom zu versorgen. Der Strom wird entweder einer Batterie als Energiespeicher oder, beim Betrieb des Kraftfahrzeugmotors einem Generator (Lichtmaschine) entnommen. Über Relais oder einen elektrischen Stromverteiler mit Halbleiterschaltern kann eine Vielzahl einzelner Verbraucher (elektrischer Fahrzeugkomponenten) über individuelle Laststromkreise mit Strom aus dem Kraftfahrzeug-Bordnetz versorgt werden.
  • Herkömmliche Fahrzeugbordnetze basieren auf einer Batterienennspannung von 12 V (Volt).
  • Eine besondere Situation ergibt sich in Fahrzeugen mit Elektroantrieb (Elektro- und Hybridfahrzeuge) bei denen die Batterie (Akkumulator) nicht nur der Energieversorgung der herkömmlichen elektrischen Fahrzeugkomponenten dienen, sondern darüber hinaus auch Traktionsenergie bereitstellen müssen. Bei derartigen Fahrzeugen sind generell Bordnetzspannungen im automobiltechnischen Hochvoltbereich (oberhalb 60 V) üblich, insbesondere im Bereich von 200 bis 500 Volt (z. B. 300 Volt, 380 Volt oder 500 Volt).
  • Ein weiterer Vorteil höherer Spannung liegt darin, dass der bei hohen Leistungen benötigte Strom deutlich niedriger ist als in einem herkömmlichen 12 Volt-Bordnetz. Die dabei vorzusehenden Sicherheitsmaßnahmen sind jedoch sehr aufwendig.
  • Die Entwicklung der letzten Jahre ging deshalb dahin, auch in konventionellen Fahrzeugen die Bordnetzspannung zu erhöhen. Es standen zunächst Überlegungen im Vordergrund, die Bordnetzspannung generell zu erhöhen (z. B. von einem 14 V auf ein 42 V-System überzugehen). Eine solche Lösung hat jedoch den Nachteil, dass konventionelle, für eine Netzspannung von zum Beispiel 12 V oder 14 V ausgelegte Komponenten nicht mehr weiterverwendet werden können.
  • Deshalb gehen neuere Entwicklungen davon aus, künftig Kraftfahrzeug-Bordnetze mit zwei Teilnetzen mit unterschiedlichen Spannungen (z. B. 12 V und 48 V oder 14 V und 42 V) vorzusehen. Das Teilnetz mit der höheren Spannung (z. B. 48 V) ist dabei für die Verbraucher mit hoher Leistung vorgesehen („Hochstromverbraucher“, also zum Beispiel Motoren, Heizungen und Generatoren).
  • Bei der zusätzlichen Verwendung eines 48 Volt-Bordnetzes (neben dem bisherigen 12 Volt-Bordnetz) im Kraftfahrzeug werden gemäß z.B. der Empfehlung VDA 320 „Elektrische und Elektronische Komponenten im Kraftfahrzeug 48V-Bordnetz“ (Verband der Automobilindustrie e.V., August 2014) hohe Anforderungen an die Sicherheit gestellt.
  • Dies ergibt sich insbesondere dadurch, dass zur Steuerung von Verbrauchern (insbesondere: Heizvorrichtungen) in dem Teilnetz mit der höheren Spannung (z. B. 48 V), Leistungshalbleiter verwendet werden, die aus dem Bordnetz mit der niedrigeren Spannung (z. B. 12 V) angesteuert werden. Diese Leistungshalbleiter (z. B. MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor oder IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor) werden also aus dem 12 V-Bordnetz angesteuert, schalten jedoch Ströme des 48 V-Bordnetzes.
  • Es sei angemerkt, dass hier und im folgenden der Einfachheit halber von einem 12 V-Bordnetz und einem 48 V-Bordnetz gesprochen wird, wobei diese Zahlen jedoch nur beispielhaft und der Einfachheit halber zur Bezeichnung eines Teilnetzes mit einer niedrigeren Spannung und eines Teilnetzes mit einer höheren Spannung verwendet werden. Die Erfindung ist nicht auf die vorgenannten exemplarischen Werte beschränkt, sondern diese stehen nur beispielhaft für ein Teilnetz mit einer niedrigeren und ein Teilnetz mit einer höheren Spannung.
  • Die Berührungspunkte beider Bordnetze in Form der Leistungshalbleiter bergen folgendes Risiko in sich: Im Falle eines Fehlers („Durchlegieren des Leistungshalbleiters“), verliert der Leistungshalbleiter seine Steuereigenschaften, wodurch die höhere Spannung (z. B. 48 Volt) am Steueranschluss des Leistungshalbleiters anliegt, und dadurch die Komponenten des 12 V-Teilnetzes (insbesondere Verbraucher und weitere Komponenten der Steuerelektronik) zerstört werden können.
  • Herkömmlich wird deshalb eine galvanische Entkopplung der beiden Teilnetze (12 V und 48 V) über einen geeigneten Übertrager, insbesondere einen Optokoppler eingesetzt. Optokoppler ermöglichen zwar eine galvanische Trennung, die im Fehlerfall sehr schnell reagieren kann, aber sie verursachen hohe Kosten und beanspruchen einen relativ großen Bauraum. Alternativ kann die galvanische Trennung auch mit Hilfe induktiver Koppler erfolgen. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie sehr viel langsamer reagieren.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Einsatz in einem Teilnetz mit höherer Nennspannung eines Zweispannungs-Kraftfahrzeugbordnetzes bereitzustellen, die aus einem Teilnetz mit niedrigerer Nennspannung ansteuerbar ist und die genannten Nachteile herkömmlicher Übertrager mit galvanischer Trennung überwindet.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Zweispannungsbordnetz bereitgestellt. Die elektrische Heizvorrichtung umfasst einen Versorgungsanschluss, der mit einem ersten Teilnetz des Zweispannungsbordnetzes verbindbar ist. Die elektrische Heizvorrichtung umfasst weiterhin ein elektrisches Heizelement und ein Schaltelement zum Steuern einer Stromzufuhr von dem Versorgungsanschluss zu dem Heizelement. Darüber hinaus umfasst die Heizvorrichtung eine mit einem zweiten Teilnetz des Zweispannungsbordnetzes verbindbare Steuereinrichtung zum Bereitstellen eines Steuersignals für das Schaltelement, wobei eine Nennspannung des zweiten Teilnetzes niedriger ist als eine Nennspannung des ersten Teilnetzes und ein kapazitives Element, angeschlossen zwischen einem Ausgang der Steuereinrichtung und einem Steueranschluss des Schaltelements, so dass der Steueranschluss des Schaltelements über das kapazitive Element mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
  • Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Heizvorrichtung für den Betrieb mit einer höheren Spannung in einem Zweispannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, die aus einem Teilnetz mit niedrigerer Spannung angesteuert werden kann und die ohne die Verwendung aufwendiger Techniken zur galvanischen Trennung der Spannungsbereiche, wie zum Beispiel Optokoppler, auskommt. Hierfür umfasst ein Steueranschluss der Heizvorrichtung ein kapazitives Trennelement sowie eine in die Heizvorrichtung integrierte Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Steuervorgabe an die Heizeinrichtung von Seiten des Teilnetzes mit der niedrigeren Spannung in ein Signal umzusetzen, welches über das kapazitive Trennelement übertragen werden kann.
  • Vorzugsweise umfasst das Schaltelement einen Leistungstransistor. Weiter vorzugsweise kann dies ein MOSFET sein. Alternativ kann als Leistungstransistor ein IGBT verwendet werden. Der Steueranschluss ist dann der Gate-Anschluss des Transistors.
  • Vorzugsweise umfasst die elektrische Heizvorrichtung weiterhin eine Gleichrichtereinrichtung, angeschlossen zwischen dem kapazitiven Element und dem Steueranschluss des Schaltelements.
  • Herkömmlich erfolgt eine Ansteuerung eines Leistungshalbleiters (Transistors) durch Anlegen eines bestimmten Pegels an eine Steuerelektrode (Gate). Da aber bei einer kapazitiven Kopplung über einen Trennkondensator keine Gleichspannung sondern nur elektrische Feldwechsel übertragen werden können, geht am Steueranschluss zunächst ein Wechselstromsignal ein. Dieses kann durch eine Gleichrichtereinrichtung, wie zum Beispiel eine Diode, in ein unipolares Signal umgewandelt werden, mit dem die direkte Ansteuerung der Schalteinrichtung wie herkömmlich erfolgen kann.
  • Weiter vorzugsweise umfasst die elektrische Heizvorrichtung zusätzlich eine Pufferkapazität (einen Pufferkondensator), die zwischen dem Steueranschluss des Schaltelements und Masse angeschlossen ist. Ein solcher Pufferkondensator bewirkt eine Glättung des Signals, bei dem durch die Gleichrichtereinrichtung jeweils eine Halbwelle abgeschnitten wird.
  • Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung angepasst, entsprechend einer vorgegebenen Heizleistung ein Wechselstromsignal, insbesondere hochfrequentes Wechselstromsignal, einer bestimmten Frequenz auszugeben, welches über das kapazitive Element übertragen wird.
  • Wie ausgeführt, ist ein kapazitives Trennelement (Kondensator) nicht in der Lage, einen Gleichspannungspegel zu übertragen. Wenn ein Steuerbefehl aus dem Niederspannungsteil des Bordnetzes eingeht (zum Beispiel, die Anweisung, mit einem bestimmten Prozentsatz, etwa 33%, der Maximalheizleistung zu heizen) eingeht, so kann dies zum Beispiel dadurch erfolgen, dass die Steuereinrichtung von einem Fahrzeugbus (zum Beispiel LINBUS) einen entsprechenden Pegel empfängt. Dieser muss jedoch in ein Wechselspannungssignal umgesetzt werden, da der Trennkondensator nur Feldwechsel übertragen kann. Als signalübertragender Parameter, der etwa den Prozentsatz der Maximalleistung (oder eine absolute Heizleistung) codiert, kann hierfür die Frequenz des Wechselspannungssignals dienen.
  • Dieses Signal kann vorzugsweise in einem durch eine Gleichrichtereinrichtung und einen Pufferkondensator gebildeten Glättungskreis auf der Transistorseite des Trennkondensator weiterverarbeitet werden. Ist der zwischen dem Steueranschluss des Transistors und Masse angeschlossene Pufferkondensator von großer Kapazität (groß dimensioniert), so speichert der Pufferkondensator die mit dem Wechselstromsignal übertragene Energie. Der Glättungskreis gibt dann für eine bestimmte Zeit ein Signal mit nahezu konstantem Pegel aus. Die Zeitdauer bestimmt sich aus der übertragenen Energiemenge, die wiederum von der Frequenz des Wechselstromsignals abhängt.
  • Auf diese Weise kann eine Ansteuerung des Heizelements über den Transistor (Schaltelement) ähnlich wie bei einer Pulsbreitenmodulation (PWM) simuliert werden. Wenn zum Beispiel hochvoltseitig eine Ansteuerung mit einer Frequenz von 50 Hz (Hertz), d.h. 50 Steuerimpulsen pro Sekunde erfolgt, so beträgt die Zeitdauer eines Steuerimpulses (Zeiteinheit) 20ms (Millisekunden). Wenn z.B. eine Heizleistung von 50% gefordert ist, dann ist die Frequenz des Wechselstromsignals so einzustellen, dass der Glättungskreis (Pufferkondensator) für 50% der regulären Dauer des Steuerimpulses, also 10ms, Strom abgibt. Dies entspricht einem PWM-Tastverhältnis von 50%. Die hier angegebenen Zahlenwerte sind natürlich lediglich beispielhaft und die vorliegende Erfindung ist keinesfalls auf diese beschränkt. Allgemein gilt, dass durch das Wechselstromsignal mit bestimmter Frequenz so viel Energie übertragen werden muss, dass ein Stromfluss aus dem Glättungskreis für eine Zeitdauer innerhalb einer gegebenen Zeiteinheit erfolgt, die dem angestrebten Tastverhältnis entspricht.
  • Wird jedoch ein Pufferkondensator von nur kleiner Kapazität (klein dimensioniert) verwendet, so entspricht dies einer nur kurzen Integrationszeit des Glättungskreises, wodurch ein pulsierendes Gleichstromsignal entsteht, welches näherungsweise aus einer Folge von Rechteckimpulsen besteht. Wird nun die Frequenz des Wechselstromsignals ausreichend hoch gewählt, so bleibt der Transistor aufgrund der Trägheit seines Schaltvorgangs während der gesamten Zeitdauer des Anliegens des Wechselstromsignals eingeschaltet, so dass die Ansteuerung am Transistor wie bei einer herkömmlichen Ansteuerung, ohne PWM, erfolgt.
  • Vorzugsweise ist das Heizelement ein PTC (positive temperature coefficient)-Heizelement, weiter vorzugsweise ein für eine Nennspannung von 48 V ausgelegtes PTC-Heizelement.
  • Entsprechend bevorzugter Ausführungsformen verfügt die elektrische Heizvorrichtung über mehrere, separat ansteuerbare Heizelemente (Heizstufen) mit mehreren, jeweils entsprechend zugeordneten Schaltelementen. Entsprechend der separaten Ansteuerung sind die Steueranschlüsse dieser Schaltelemente dann jeweils über separate Trennkondensatoren mit entsprechenden Ausgangsanschlüssen der Steuereinrichtung verbunden, über die die jeweiligen Steuerinformationen durch Feldwechsel übertragen werden.
  • Somit erfolgt die Ansteuerung der Heizvorrichtung über mehrere Schaltelemente, die jeweils aus dem zweiten Teilnetz angesteuert werden, um Ströme in dem ersten Teilnetz zu schalten. Hierbei dient jeweils eines der Schaltelemente zum Schalten eines Heizelements oder einer Heizstufe der Heizvorrichtung. Eine jeweilige Heizstufe kann aus einem oder einer Mehrzahl gemeinsam anzusteuernder Heizelemente, insbesondere PTC - Elemente bestehen. In einem solchen Fall ist zur Potentialtrennung jeweils in der Verbindung zwischen einem Steueranschluss eines jeden Schaltelements und der Steuereinrichtung in dem Teilnetz mit der niedrigeren Spannung erfindungsgemäß ein Kondensator vorgesehen.
  • Eine bestimmte Heizleistung kann so durch wahlweises Zu-oder Abschalten einzelner Heizstufen und/oder durch ein Ansteuern mit einem Signal ähnlich einer PWM, wie oben beschrieben, erreicht werden. Wenn keine Ansteuerung einzelner Heizstufen für eine bestimmte Teilleistung ähnlich einer PWM möglich oder gewünscht ist, können zum Beispiel die einzelnen Heizstufen zeitlich nacheinander im zyklischen Wechsel zur Abgabe jeweils ihrer vollen Heizleistung angesteuert werden, um insgesamt eine Teilheizleistung zu realisieren.
  • Wenn die einzelnen Heizstufen insbesondere unterschiedliche Heizleistungen erbringen, so kann durch wahlweises Zu- und Abschalten bestimmter Heizstufen eine anforderungsgemäße Leistung eingestellt werden. Weiterhin kann durch Ansteuerung zumindest eines Teils der Heizstufen mit einem Signal ähnlich einer PWM eine feinstufigere Einstellung erreicht werden.
  • Vorzugsweise unterscheiden sich die Spannungen in dem ersten Teilnetz und in dem zweiten Teilnetz deutlich, um einen Faktor von mindestens 2, das heißt also die Spannung in dem ersten Teilnetz ist um ein mehrfaches größer als diejenige in dem zweiten Teilnetz. Insbesondere ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die von der Spannungsquelle in dem ersten Teilnetz bereitgestellte Spannung das Vierfache der von der Spannungsquelle in dem zweiten Teilnetz bereitgestellten Spannung. Wenn weiter vorzugsweise die Spannungsquelle in dem zweiten Teilnetz eine Spannung von 12 Volt bereitstellt, so ist die entsprechende Spannung von der Spannungsquelle im ersten Teilnetz 48 Volt. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass für Komponenten mit niedrigerer Leistung, wie z.B. Steuerelektronik oder Einspritzpumpe herkömmliche Komponenten, die für ein 12 Volt-Bordnetz ausgelegt sind, unverändert weiterverwendet werden können.
  • Vorzugsweise umfasst die elektrische Heizvorrichtung darüber hinaus einen mit dem ersten Teilnetz verbindbaren spannungsgesteuerten Oszillator zum Umwandeln eines Pegels in ein Frequenzsignal zur Informationsübertragung aus dem ersten Teilnetz über das kapazitive Element an die Steuereinrichtung.
  • Für eine optimale Steuerung einer Heizeinrichtung ist es vorzugsweise erforderlich, dass die Steuereinrichtung auch ein Feedback an Information von den Heizelementen im Bereich der höheren Nennspannung, wie etwa eine Temperaturinformation, erhält. Darüber hinaus kann ein Feedback bezüglich Strom-und/oder Spannungsinformationen hilfreich sein.
  • Um solche Informationen ebenfalls über das kapazitive Trennelement übertragen zu können, müssen solche Signale, die herkömmlich üblicherweise auch als konstante (Spannungs-) Pegel vorliegen, in Signale transformiert werden, die über das kapazitive Trennelement übertragen werden können. Hierzu dient erfindungsgemäß ein spannungsgesteuerter Oszillator, mit dem ein Pegel in ein Frequenzsignal umgewandelt werden kann. Dabei kann der umzuwandelnde Pegel insbesondere von einer Einrichtung zur Temperaturmessung oder einer Einrichtung zur Strommessung bereitgestellt werden, oder einem an einem bestimmten Punkt der Heizvorrichtung erfassten Spannungspegel entsprechen.
  • Vorzugsweise wird die Spannungsversorgung des spannungsgesteuerten Oszillators über ein Wechselstromsignal, übertragen von der Steuereinrichtung über das kapazitive Element, in ähnlicher Weise gesteuert wie die Spannungsversorgung des Heizelements.
  • Gemäß einem weiteren besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem Zweispannungsbordnetz und einer Heizvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung oder einer seiner Ausführungsformen bereitgestellt. Dabei ist der Versorgungsanschluss mit dem ersten Teilnetz und die Steuereinrichtung mit dem zweiten Teilnetz verbunden.
  • Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung mit einem Fahrzeugbus in dem zweiten Teilnetz verbunden und empfängt eine Information über die vorgegebene Heizleistung von dem Fahrzeugbus.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen:
    • 1 ein allgemeines Schema eines herkömmlichen 12 V-Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer Heizvorrichtung darstellt;
    • 2 ein allgemeines Schema eines Zweispannungs-Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer Heizvorrichtung mit galvanischer Trennung der Teilnetze über einen Optokoppler darstellt;
    • 3 ein Beispiel einer Ansteuerung einer Heizeinrichtung mit mehreren Heizelementen in einem Zweispannungsbordnetz über einen Übertrager darstellt;
    • 4 ein anderes Beispiel einer Ansteuerung einer Heizvorrichtung mit mehreren Heizelementen in einem Zweispannungsbordnetz unter Verwendung mehrerer Übertrager darstellt;
    • 5 ein allgemeines Schema eines Zweispannungs-Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer Heizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
    • 6 an Beispiel einer Ansteuerung einer Heizvorrichtung mit mehreren Heizelementen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt;
    • 7 eine Detaildarstellung einer Heizvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
    • 8 eine schematische Darstellung ist, die die Übertragung von Temperaturinformation aus dem Bereich höherer Nennspannung in eine Steuereinrichtung in dem Bereich niedrigerer Nennspannung in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung zeigt; und
    • 9 eine Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit insgesamt drei Leistungshalbleitern und drei Kondensatoren zur Potentialtrennung darstellt.
  • Die folgende detaillierte Beschreibung dient der Darstellung der Erfindung anhand ausgewählter Ausführungsformen und unter Bezug auf die Zeichnungen. Die vorliegende Erfindung, wie in den Patentansprüchen definiert, ist jedoch nicht auf die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen und insbesondere die darin beispielhaft genannten Parameterwerte beschränkt.
  • Dabei bedeuten in der folgenden Darstellung gleiche Bezugszeichen gleiche oder zumindest funktionell äquivalente Bauteile.
  • 1 stellt eine Prinzipskizze eines herkömmlichen Kraftfahrzeug-Bordnetzes mit einer Batteriespannung von 12 V (Volt) dar. Die Spannungsversorgung des Bordnetzes erfolgt durch eine Spannungsquelle 10, insbesondere eine Fahrzeugbatterie (Akkumulator). Im Regelfall umfasst das Bordnetz weiterhin einen Generator (im Bild nicht dargestellt), der während des Motorbetriebs sowohl zum Nachladen des Akkumulators als auch zur direkten Einspeisung elektrischer Energie in das Kraftfahrzeugbordnetz dient. Das Kraftfahrzeugbordnetz umfasst eine Reihe von Verbrauchern (elektrische Fahrzeugkomponenten wie Beleuchtung, Einspritzpumpe, Einrichtungen der Unterhaltungs- und Informationselektronik, Scheibenwischer, Fensterheber und andere). Dies wird in der Prinzipsskizze der 1 zusammenfassend in dem Block 12 dargestellt.
  • Insbesondere befindet sich unter den Verbrauchern eine Kraftfahrzeug-Heizvorrichtung bzw. Klimaanlage, im Bild separat im Block 16 dargestellt. Deren Ansteuerung erfolgt im Allgemeinen über ein Steuerelement 14, insbesondere einen Leistungshalbleiter. Hierbei wird ein von einer geeigneten Komponente der Steuerelektronik 18 (zum Beispiel einem Mikrocontroller µC) erzeugtes Steuersignal an einen Steueranschluss St des Schaltelements (Leistungshalbleiters) 14 angelegt. Damit kann die Leistung im Teilkreis mit der Heizvorrichtung gesteuert werden. Obwohl in 1 lediglich schematisch ein einziger, die Heizvorrichtung symbolisierender, Verbraucher 16, kombiniert mit einem einzigen Schaltelement 14 dargestellt ist, besteht die Heizvorrichtung im Regelfall aus einer Mehrzahl separat ansteuerbarer Komponenten (Heizstufen) die dann separat über eine Mehrzahl von Schaltelementen angesteuert werden können.
  • Mit zunehmendem Anstieg der erforderlichen elektrischen Leistung zum Betrieb einzelner Verbraucher im Kraftfahrzeug (wie z. B. Elektromotoren für verschiedenartige Hilfsbetriebe, Generatoren und Heizungen, sogenannte Hochstromverbraucher) geht man dazu über, Kraftfahrzeug-bordnetze so zu konzipieren, dass zwei Teilnetze mit verschiedenen Spannungen verwendet werden. Hiermit kann zum einen der Vorteil ausgenutzt werden, dass die Hochstromverbraucher mit deutlich niedrigeren Strömen betrieben werden können als in einem herkömmlichen 12 Volt-Bordnetz, so dass die erforderlichen Leitungen für Großverbraucher (zum Beispiel PTC-Heizelemente) dünner ausgelegt werden können. Andererseits können für Verbraucher, die keine großen Leistungen benötigen, die herkömmlichen, für 12 Volt ausgelegten, Komponenten weiter betrieben werden.
  • Berührungspunkte beider Teilnetze ergeben sich daraus, dass sich die Steuerelektronik für die Hochstromverbraucher, insbesondere Heiz-/Klimageräte weiterhin im Bereich des Teilnetzes mit der niedrigeren Spannung befindet. Hierbei steuert die Steuerelektronik 18 aus dem Teilnetz mit niedrigerer Spannung heraus durch Anlegen entsprechender Spannungssignale an den Steueranschlüssen St der Leistungshalbleiter 14 so an, dass Ströme in dem Teilnetz mit höherer Spannung für die Hochstromverbraucher über die Leistungshalbleiter geschaltet werden.
  • Eine solche Lösung birgt jedoch das Risiko, dass im Fehlerfall (beim Durchlegieren des Leistungshalbleiters) die höhere Spannung in dem gesamten Teilnetz mit niedrigerer Spannung anliegt, und die dortigen elektronischen Komponenten, insbesondere auch die Steuerelektronik für Verbraucher im Teilnetz mit der niedrigeren Spannung wie Informationselektronik oder Einspritzpumpe sowie diese Verbraucher selbst zerstört.
  • Um dies zu verhindern, wird in herkömmlichen Zweispannungsbordnetzen eine galvanische Trennung der Teilnetze mit Hilfe von Optokopplern (die schnell reagieren) oder alternativ induktiven Kopplern (die sehr viel langsamer reagieren) eingesetzt.
  • 2 ist eine Prinzipdarstellung eines herkömmlichen Zweispannungs-Kraftfahrzeugbordnetzes mit einem Optokoppler 24 zur galvanischen Trennung beider Teilnetze.
  • Auf der linken Seite der Zeichnung befindet sich eine schematische Darstellung des Teilnetzes mit der niedrigeren Spannung (beispielhaft wieder 12 Volt). In diesem Teil befindet sich neben der Spannungsquelle (Batterie) 10 insbesondere eine Reihe von Verbrauchern 12 niedriger Leistung sowie Komponenten der Steuerelektronik 18, die insbesondere auch Steuersignale für Verbraucher im Hochstrombereich/Hochleistungsbereich bereitstellen. Insbesondere umfasst die Steuerelektronik 18 vorzugsweise einen Mikrocontroller (µC). Auf der rechten Seite ist das Teilnetz mit höherer Batteriespannung (beispielhaft 48 Volt) dargestellt. In diesem befinden sich neben der Spannungsquelle 20 weitere Verbraucher (16 und 22). Diese Verbraucher schließen insbesondere eine Heizvorrichtung 16, im Bild separat dargestellt, ein. Weitere Verbraucher sind in dem Block 22 zusammengefasst.
  • Die Ansteuerung der Verbraucher, insbesondere der Heizvorrichtung 16 erfolgt über ein Schaltelement 14, insbesondere einen Leistungshalbleiter (Steueranschluss St). Im Bild ist der Einfachheit halber nur ein Leistungshalbleiter 14 in Verbindung mit einem Verbraucher 16 gezeigt. Es können aber in analoger Weise eine Mehrzahl von Schaltelementen (Leistungshalbleitern) zum Schalten einer Mehrzahl von Verbrauchern, zum Beispiel mehrerer Heizstufen vorhanden sein.
  • Die Grenze zwischen den Bereichen mit höherer Spannung (rechts) und niedrigerer Spannung (links) wird in 2 durch die Strichlinie T symbolisiert. Der Optokoppler 24 verhindert ein Durchgreifen der Spannung von 48 V auf das 12 V-Teilnetz und somit eine Zerstörung von Komponenten dieses Teilnetzes.
  • Ein Nachteil des Einsatzes von Optokopplern zur galvanischen Trennung von 12 V- und 48 V-Teilnetzen besteht jedoch darin, dass Optokoppler teure Komponenten sind und darüber hinaus zu viel des in Kraftfahrzeugen knappen Bauraums beanspruchen.
  • Dies gilt in besonderem Maße dann, wenn mehrere separat ansteuerbare Heizelemente (Heizstufen) vorhanden sind, wie im Folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen 3 und 4 erläutert wird.
  • In dem Beispiel der 3 werden drei Heizstufen (im Bild nicht gezeigt) mit Hilfe dreier Schaltelemente (Transistoren 14a, 14b, 14c) angesteuert. Die entsprechenden Steuersignale werden von der Steuereinrichtung 18 (im Beispiel: ein Mikrocontroller, µC1) an einen Datenbus ausgegeben.
  • Zur galvanischen Trennung ist ein Übertrager 24, zum Beispiel ein Optokoppler, vorgesehen. Genauer gesagt, ist der Übertrager 24 Bestandteil des zur Signalübertragung verwandten Datenbussystems, bestehend aus den Datenbussen 1 und 2. Wenn, wie in diesem Beispiel vorgesehen, zur Datenübertragung von der Steuereinrichtung in dem Teilnetz mit niedrigerer Spannung (im Beispiel: 12 V) zu dem Transistor, der Ströme in dem Teilnetz mit höherer Spannung (im Beispiel: 48 V) schaltet nur ein einziges Bussystem mit einem einzigen Übertrager vorgesehen ist, so ist transistorseitig von dem Übertrager ein weiteres Steuerelement (im Beispiel: ein weiterer Mikrocontroller, µC2) erforderlich, um die einzelnen Transistoren separat ansteuern zu können.
  • Zwar ermöglicht somit der gezeigte Aufbau mit einem Datenbussystems einen breiten Informationsaustausch zwischen den unterschiedlichen Potentialen, verursacht aber neben dem Einsatz teurer Übertrager/Optokoppler erhebliche Mehrkosten für den zweiten Mikrocontroller und Entwicklungskosten für entsprechende Software.
  • Alternativ kann eine Einzelansteuerung der Heizkreise (Heizstufen) bereits aus der im Bereich mit der niedrigeren Spannung vorgesehenen Steuereinrichtung 18 vorgesehen sein. Ein solches Beispiel ist in 4 gezeigt.
  • Die Steuereinrichtung 18 (im Beispiel wieder ein Mikrocontroller, µC) ist hierbei für eine Einzelansteuerung der Heizkreise eingerichtet, so dass sie bereits separate Steuersignale für die einzelnen Heizstufen, die dann separat an die entsprechenden Transistoren (14a, 14b, 14c) übertragen werden, ausgibt. Dadurch ist zwar kein zweiter Mikrocontroller erforderlich. Neben einer gegenüber einem Datenbussystem deutlich begrenzten Möglichkeit der Informationsübertragung hat eine solche Ausführungsform jedoch den Nachteil, dass dann für jeden Übertragungskanal ein separater Übertrager/Optokoppler (24a, 24b, 24c) erforderlich ist, was wiederum Mehrkosten verursacht.
  • Aus diesem Anlass heraus wurde die erfindungsgemäße Lösung entwickelt, bei der anstelle der galvanischen Trennung mit dem Optokoppler zur Potentialtrennung ein kapazitives Element (Kondensator) verwendet wird.
  • Eine entsprechende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 5 dargestellt. Hierbei wird auf eine erneute detaillierte Beschreibung entsprechender Elemente mit gleichen Bezugszeichen verzichtet.
  • Anstelle des Optokopplers 24 ist zwischen dem Steueranschluss St des Leistungshalbleiters 14 und dem 12 V-Teilnetz, insbesondere der Steuerelektronik 18, ein kapazitives Trennelement (Kondensator) 32 geschaltet. Vorzugsweise ist zwischen dem Kondensator 32 und dem Steueranschluss St des Transistors 14 noch ein Glättungskreis mit einer Diode als Gleichrichtereinrichtung und einem gegen Masse geschalteten Pufferkondensator vorgesehen (in diesem Bild nicht gezeigt).
  • Eine solche Anordnung ermöglicht eine Kommunikation zwischen unterschiedlichen Potentialen mit günstiger robuster Hardware, wobei gleichzeitig abgesichert wird, dass die Potentiale nicht in elektrischen Kontakt miteinander kommen.
  • In der erfindungsgemäßen Anordnung sind die beiden Potentiale somit nur durch eine kapazitive Kopplung über den Trennkondensator 32 verbunden. Es können damit nur elektrische Feldwechsel übertragen werden. Jegliche Gleichspannung ist geblockt.
  • Somit wird ein sicherer Schutz der Komponenten im 12 V-Bordnetz auch ohne eine vollständige galvanische Trennung auf einfache, kostengünstige und wenig Raum beanspruchende Weise erreicht. Es wird insbesondere darauf hingewiesen, dass die Fehlerausfallrate von Kondensatoren wesentlich niedriger ist, als diejenige von Optokopplern.
  • Beispiele für entsprechende Anordnungen werden im Folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen 6 und 7 erläutert.
  • 6 zeigt ein Schema zur Einzelansteuerung dreier Heizelemente (Heizstufen oder Heizkreise, im Bild nicht gezeigt) durch ein Steuerelement (Mikrocontroller µC) 18 mittels dreier Transistoren (14a, 14b, 14c), ähnlich dem in 4 dargestellten. Erfindungsgemäß sind hierbei jedoch anstelle dreier Übertrager (Optokoppler 24a, 24b, 24c) drei Trennkondensatoren (32a, 32b, 32c) in den einzelnen Steuerpfaden von dem Mikrocontroller 18 zu den Transistoren vorgesehen.
  • Dies ist detaillierter am Beispiel der Ansteuerung eines einzelnen PTC-Heizelements 16 in 7 gezeigt. Selbstverständlich ist diese Detaildarstellung auf den Fall mehrerer separat ansteuerbare Heizkreise übertragbar, was hier der Einfachheit halber und zur besseren Verständlichkeit nicht dargestellt ist.
  • Wie in 7 gezeigt, wird von der Steuereinrichtung 18 (Mikrocontroller µC) ein Steuersignal in Form eines Wechselfeldes über den Trennkondensator 32 und den Glättungskreis (Diode 34 und Pufferkondensator 36) an den Steueranschluss des Transistors 14 übertragen. Damit kann der Transistor einen Stromfluss in dem ersten Teilnetz von der Batterie 20 mit der höheren Nennspannung zu dem PTC-Heizelement 16 steuern. Die Steuereinrichtung 18 selbst befindet sich in dem zweiten Teilkreis und wird von der Batterie 10 mit der niedrigeren Nennspannung versorgt.
  • Somit werden durch das Schalten des Ausgangssignals am Mikrocontroller Feldwechsel erzeugt und auf der anderen Potentialseite über den Pufferkondensator 32 geglättet. Der so versorgte Steueranschluss des Transistors 14 (Basis bzw. Gate) schaltet diesen ein. Sobald seitens der Steuereinrichtung 18 keine Schaltwechsel mehr erzeugt werden, geht der Transistor aus.
  • 7 zeigt darüber hinaus noch einen optional vorgesehenen zweiten Trennkondensator 32'. Dieser dient zur Potentialtrennung, falls die beiden Teilnetze nicht über eine gemeinsame Masse verfügen. Somit kann auch bei unterschiedlicher Masse verhindert werden, dass die Potentiale der beiden Teilnetze miteinander in Kontakt kommen. Im Falle einer gemeinsamen Masse ist der zweite Trennkondensator 32' nicht erforderlich.
  • Der erfindungsgemäße Aufbau kommt mit nur wenigen robusten Bauelementen aus und benötigt auch nur wenig Einbauraum. Eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung 1 kann somit realisiert werden, bei der die zur Potentialtrennung erforderlichen zusätzlichen Komponenten gemeinsam mit der Steuereinrichtung innerhalb der Heizvorrichtung 1, etwa in einem an das Heizregister mit den PTC-Heizelementen angebauten Steuergehäuse, untergebracht werden können. Die innerhalb einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1 angeordneten Komponenten sind in 7 mit Hilfe einer Strichpunktlinie zusammengefasst. Dies ermöglicht die Bereitstellung einer besonders kompakten Kraftfahrzeugheizung, mit Versorgungsanschlüssen in einem Teilnetz mit höherer Bordspannung, und steuerbar aus einem Teilnetz mit niedrigerer Bordspannung, etwa über einen Fahrzeugbus.
  • Wenn, was in der Praxis wünschenswert ist, zusätzlich auch Informationen aus dem Heizregister (aus dem Bereich der Heizelemente) an die Steuereinrichtung zurück übertragen werden sollen, so muss bei der erfindungsgemäßen Lösung ebenfalls bedacht werden, dass über ein kapazitives Trennelement keine Gleichspannungssignale übertragen werden können. Ein Beispiel, wie dies im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisiert werden kann, ist in 8 am Beispiel der Übertragung von Messergebnissen einer Temperaturmessung gezeigt.
  • Erfindungsgemäß ist zu diesem Zweck in dem ersten Teilnetz ein spannungsgesteuerter Oszillator 38 (VCO von englisch „voltage controlled oscillator“) vorgesehen.
  • Für eine Temperaturmessung ist weiterhin ein Spannungsteiler vorgesehen, der einen temperaturabhängigen Widerstand 22 (Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten, NTC - „negative temperatue coefficient“) und einen herkömmlichen Widerstand 24 (R) umfasst. Durch den spannungsgesteuerten Oszillator 38 wird der Spannungsabfall über dem NTC-Widerstand 22 in ein Frequenzsignal umgesetzt, da bei der kapazitiven Kopplung der beiden Teilnetze über den Kondensator 32 wiederum nur elektrische Feldwechsel übertragen werden können. Die Feldwechsel werden durch das Schalten im spannungsgesteuerten Oszillator 38 erzeugt und kommen über den Trennkondensator 32 auf die andere Potentialseite. Mit anderen Worten, erzeugt der spannungsgesteuerter Oszillator 38 aus den Gleichspannungspegel vom Spannungsteiler (UNTC) ein Frequenzabbild.
  • Ein entsprechendes Schema zum Transport von Information aus dem ersten in das zweite Teilnetz kann entsprechend zum Beispiel auf Spannung-oder Strommessungen übertragen werden.
  • Bei Spannungsmessungen der Batterie 20 wird der Pluspol der Batterie direkt mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden. Das Einschalten der Spannungsversorgung für den Oszillator geschieht genauso wie das Einschalten des Transistors zur Ansteuerung des Heizelements.
  • Für die Strommessung wird zum Beispiel der Spannungsabfall über dem Shunt oder dem I-Sense-Pin eines Smart-Mosfet in Frequenz umgesetzt.
  • Eine weitere beispielhafte Darstellung einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in einem Zweispannungsbordnetz ist in 9 gezeigt.
  • Hierbei sind beispielhaft drei verschiedene, aus dem 12 V-Teilnetz heraus gesteuerte, aber in dem 48 V-Teilnetz befindliche Verbraucher, z. B. drei verschiedene Heizstufen 16a, 16b und 16c dargestellt. Jede der Heizstufen ist ein eigenes Schaltelement (Leistungshalbleiter) 14a, 14b, 14c zugeordnet, dessen Elektroden S (Source) und D (Drain) (Anschlüsse der Hochstromverbraucher) mit dem jeweiligen Verbraucher (Heizelement bzw. Heizstufe) verbunden sind. Eine Steuerelektrode G (Gate; entspricht dem Steueranschluss St in 3) ist über eine entsprechende Kapazität 32a, 32b, 32c mit dem 12 V-Teilnetz, insbesondere einem Ausgang der Steuereinrichtung (Mikrocontroller) 18 verbunden. Vorzugsweise sind zwischen den transistorseitigen Anschlüssen der Kondensatoren (32a, 32b, 32c) und den jeweiligen Transistoren (14a, 14b, 14c) wiederum Glättungskreise, so wie in 7 gezeigt, vorgesehen (in 9 nicht dargestellt).
  • Die restlichen Komponenten der 12 V- und 48 V-Teilnetze sind lediglich schematisch in den Blöcken 40 und 48 dargestellt. Die Grenze zwischen den Teilnetzbereichen mit 12 V und 48 V wird wieder durch die gestrichelte Trennlinie T symbolisiert.
  • Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht es somit, dass im Störungsfalle, beim Durchlegieren auch nur eines der Leistungshalbleiter, das 12 V-Teilnetz vor einem Durchgreifen der Spannung in Höhe von 48 V geschützt wird.
  • Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Zweispannungsbordnetz. Die Heizvorrichtung wird über eine Stromversorgung aus dem Teilnetz mit höherer Nennspannung (zum Beispiel 48 V) betrieben, aber durch eine Steuereinrichtung in dem Teilnetz mit niedrigerer Nennspannung (zum Beispiel 12 V) angesteuert. Zu diesem Zweck verfügt die Heizvorrichtung über einen Versorgungsanschluss in dem Teilnetz mit höherer Nennspannung und einen Steueranschluss in dem Teilnetz mit niedrigerer Nennspannung. Der Steueranschluss befindet sich insbesondere an einer in die Heizvorrichtung integrierten Steuereinrichtung, die mit einem Steueranschluss eines Schaltelements (Leistungshalbleiters) zum Steuern der Heizvorrichtung über ein kapazitives Trennelement verbunden ist, um eine Potentialtrennung der beiden Teilnetze zu gewährleisten.

Claims (14)

  1. Elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Zweispannungsbordnetz, wobei die elektrische Heizvorrichtung umfasst: einen Versorgungsanschluss, verbindbar mit einem ersten Teilnetz des Zweispannungsbordnetzes, ein elektrisches Heizelement (16), ein Schaltelement (14) zum Steuern einer Stromzufuhr von dem Versorgungsanschluss zu dem Heizelement (16), eine mit einem zweiten Teilnetz des Zweispannungsbordnetzes verbindbare Steuereinrichtung (18) zum Bereitstellen eines Steuersignals für das Schaltelement, wobei eine Nennspannung des zweiten Teilnetzes niedriger ist als eine Nennspannung des ersten Teilnetzes, und ein kapazitives Element (32), angeschlossen zwischen einem Ausgang der Steuereinrichtung (18) und einem Steueranschluss (St) des Schaltelements (14), so dass der Steueranschluss (St) des Schaltelements (14) über das kapazitive Element (32) mit der Steuereinrichtung (18) verbunden ist.
  2. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schaltelement (14) ein Leistungstransistor und der Steueranschluss (St) ein Gate-Anschluss (G) ist.
  3. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend eine Gleichrichtereinrichtung (34), angeschlossen zwischen dem kapazitiven Element (32) und dem Steueranschluss (St) des Schaltelements (14).
  4. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 3, weiterhin umfassend eine Pufferkapazität (36), die zwischen dem Steueranschluss (St) des Schaltelements (14) und Masse (GND2) angeschlossen ist.
  5. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (18) angepasst ist, entsprechend einer vorgegebenen Heizleistung ein Wechselstromsignal einer bestimmten Frequenz auszugeben, welches über das kapazitive Element (32) übertragen wird und wobei die Pufferkapazität (36) so dimensioniert ist, dass das Wechselstromsignal in ein pulsierendes Gleichstromsignal zum Ansteuern der Steuerelektrode umgewandelt wird.
  6. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (18) angepasst ist, entsprechend einer vorgegebenen Heizleistung ein Wechselstromsignal einer bestimmten Frequenz auszugeben, welches über das kapazitive Element (32) übertragen wird und wobei die Pufferkapazität (36) so dimensioniert ist, dass das Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal mit näherungsweise konstantem Pegel umgewandelt wird, wobei das Gleichstromsignal für eine bestimmte Zeitdauer entsprechend der Frequenz des Wechselstromsignals ausgegeben wird.
  7. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend eine Mehrzahl von Heizelementen (16a, 16b, 16c) und eine entsprechende Mehrzahl von Schaltelementen (14a, 14b, 14c), deren Steueranschlüsse (St) über eine entsprechende Mehrzahl kapazitiver Elemente (32a, 32b, 32c) mit einer entsprechenden Mehrzahl von Ausgängen der Steuereinrichtung (18) verbunden ist, so dass die einzelnen Heizelemente (16a, 16b, 16c) durch die Steuereinrichtung (18) separat steuerbar sind.
  8. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend einen mit dem ersten Teilnetz verbindbaren spannungsgesteuerten Oszillator (38) zum Umwandeln eines Pegels in ein Frequenzsignal zur Informationsübertragung aus dem ersten Teilnetz über das kapazitive Element (32) an die Steuereinrichtung (18).
  9. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 8, weiterhin umfassend eine Einrichtung (22, 24) zur Temperaturmessung in dem Bereich des ersten Teilnetzes, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (38) eingerichtet ist, einen Pegel in ein Frequenzsignal umzuwandeln, der einem Messergebnis der Temperaturmesseinrichtung (32, 34) entspricht.
  10. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, weiterhin umfassend eine Einrichtung zur Strommessung in dem Bereich des ersten Teilnetzes, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (38) eingerichtet ist, einen Pegel in ein Frequenzsignal umzuwandeln, der einem Messergebnis der Strommesseinrichtung entspricht.
  11. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Steuereinrichtung (18) weiterhin eingerichtet ist, eine Spannungsversorgung für den spannungsgesteuerten Oszillator über ein Wechselstromsignal zu steuern, welches über das kapazitive Element (32) an den spannungsgesteuerten Oszillator (38) übertragen wird.
  12. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (16) ein PTC-Heizelement ist.
  13. Kraftfahrzeug mit einem Zweispanungsbordnetz und einer elektrischen Heizvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Versorgungsanschluss mit dem ersten Teilnetz und die Steuereinrichtung (18) mit dem zweiten Teilnetz verbunden ist.
  14. Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, wobei die Steuereinrichtung (18) mit einem Fahrzeugbus in dem zweiten Teilnetz verbunden ist und eine Information über die vorgegebene Heizleistung von dem Fahrzeugbus empfängt.
DE102019218348.4A 2019-11-27 2019-11-27 Elektrische heizvorrichtung für ein kraftfahrzeug Pending DE102019218348A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019218348.4A DE102019218348A1 (de) 2019-11-27 2019-11-27 Elektrische heizvorrichtung für ein kraftfahrzeug
US17/104,020 US20210160966A1 (en) 2019-11-27 2020-11-25 Electric Heating Device for a Motor Vehicle
CN202011342486.9A CN112849057A (zh) 2019-11-27 2020-11-25 用于机动车辆的电加热装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019218348.4A DE102019218348A1 (de) 2019-11-27 2019-11-27 Elektrische heizvorrichtung für ein kraftfahrzeug

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019218348A1 true DE102019218348A1 (de) 2021-05-27

Family

ID=75784042

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019218348.4A Pending DE102019218348A1 (de) 2019-11-27 2019-11-27 Elektrische heizvorrichtung für ein kraftfahrzeug

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20210160966A1 (de)
CN (1) CN112849057A (de)
DE (1) DE102019218348A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007050821A1 (de) * 2007-10-24 2009-04-30 Robert Bosch Gmbh Galvanische Trennung zwischen Zell-Ladungsausgleich und Steuerung eines Hybridantriebs
DE202013002716U1 (de) * 2013-03-20 2013-04-03 Eberspächer Catem Gmbh & Co. Kg Elektrische Standheizung für ein Kraftfahrzeug
DE102013012615A1 (de) * 2013-07-24 2015-01-29 Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kommanditgesellschaft, Hallstadt Schaltungsmodul zum Trennen von Teilnetzen eines Mehrspannungsbordnetzes
DE102014215666A1 (de) * 2014-08-07 2016-02-11 Leoni Bordnetz-Systeme Gmbh Steuerungsvorrichtung sowie elektrischer Verbraucher für ein Kraftfahrzeug

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5834131A (en) * 1997-05-02 1998-11-10 Itt Manufacturing Enterprises, Inc. Self warming low cost tactical electronics battery
US20060016793A1 (en) * 2004-07-23 2006-01-26 Douglas Zhu Electrical storage device heater for vehicle
US20120286813A1 (en) * 2011-05-12 2012-11-15 Murphy Morgan D Windshield moisture detector
FR2992112B1 (fr) * 2012-06-19 2015-01-09 Valeo Systemes Thermiques Procede et systeme pour la mise en veille et le reveil d'un module de commande de vehicule automobile electrique
EP2711248B1 (de) * 2012-09-20 2014-11-05 Eberspächer catem GmbH & Co. KG Zweispannungsbordnetz mit Überspannungsschutz
CN105966199B (zh) * 2016-05-20 2018-12-04 上海英恒电子有限公司 一种新能源汽车ptc加热控制***及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007050821A1 (de) * 2007-10-24 2009-04-30 Robert Bosch Gmbh Galvanische Trennung zwischen Zell-Ladungsausgleich und Steuerung eines Hybridantriebs
DE202013002716U1 (de) * 2013-03-20 2013-04-03 Eberspächer Catem Gmbh & Co. Kg Elektrische Standheizung für ein Kraftfahrzeug
DE102013012615A1 (de) * 2013-07-24 2015-01-29 Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kommanditgesellschaft, Hallstadt Schaltungsmodul zum Trennen von Teilnetzen eines Mehrspannungsbordnetzes
DE102014215666A1 (de) * 2014-08-07 2016-02-11 Leoni Bordnetz-Systeme Gmbh Steuerungsvorrichtung sowie elektrischer Verbraucher für ein Kraftfahrzeug

Also Published As

Publication number Publication date
US20210160966A1 (en) 2021-05-27
CN112849057A (zh) 2021-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3479455B1 (de) Energiespeichereinrichtung für einen kraftwagen
EP2705564B1 (de) Verfahren zur steuerung einer batterie sowie eine batterie zur ausführung des verfahrens
EP2711248B1 (de) Zweispannungsbordnetz mit Überspannungsschutz
WO2017016674A1 (de) Einzelmodul, elektrisches umrichtersystem und batteriesystem
DE102017009352A1 (de) Energiekoppler zum elektrischen Koppeln von elektrischen Bordnetzen und Verfahren zum elektrischen Koppeln von elektrischen Bordnetzen
DE102017009355A1 (de) Verfahren zum Betreiben von elektrischen Bordnetzen
DE112014002281T5 (de) Entladesteuerungsvorrichtung
DE102014218738A1 (de) Elektrisches System für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug
DE112017005404T5 (de) DC-DC Wandler
DE102013109797A1 (de) Ionisator
DE102014016076A1 (de) DC/DC-Wandler für ein Kraftfahrzeug
DE102012003023A1 (de) Energieversorgungseinheit zur Energieversorgung eines Fahrzeugs
DE102017221621A1 (de) Vorrichtung zur redundanten Energieversorgung zumindest eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs aus einem Bordnetz, Bordnetz sowie Kraftfahrzeug
DE102014016239A1 (de) Gleichspannungswandler für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines derartigen Gleichspannungswandlers
DE102019124214A1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer permanenterregten Synchronmaschine und Kraftfahrzeug
DE102016105011A1 (de) Versorgungseinrichtung für ein Bordnetz
DE102016106547A1 (de) Schaltereinrichtung für einen elektromotor, steuereinrichtung, lenksystem
DE102019218348A1 (de) Elektrische heizvorrichtung für ein kraftfahrzeug
DE102013209383A1 (de) Batterie mit mindestens einem Batteriestrang mit mehreren Batteriemodulen sowie Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung
DE102020204336B4 (de) Fahrzeugseitige Hochvolt-Ladeschaltung und Fahrzeugbordnetz
DE102017213141A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines DC-DC-Wandlers
DE102019125293A1 (de) Gleichspannungswandlung in einem Bordnetz
DE102018210584A1 (de) Leistungselektronik für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug
DE202015106847U1 (de) Lüfter mit Statussignalgenerierung und Übermittlung des Statussignals über eine Versorgungsleitung
WO2014095233A2 (de) Batterie mit mindestens einem batteriestrang sowie verfahren zur regelung einer batteriespannung

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R012 Request for examination validly filed