DE19845401A1 - Elektrisches Heizelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement, insbesondere ein PTC-Heizelement, das aus einer Widerstandsbank mit einzelnen Heizwiderständen aufgebaut ist, die von einer Steuereinheit über Schaltelemente entsprechend verfügbarer Generatorleistung an Batteriespannung gelegt werden können. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ein Heizwiderstand des elektrischen Heizelementes über einen Leistungsschalter an Batteriespannung gelegt werden kann, der pulsweitenmoduliert angesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement gemäß den gattungsbildenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes elektrisches Heizelement ist beispielsweise aus der EP 0 837 381 A2 bekannt. Das elektrische Heizelement weist wenigstens zwei elektrische Heizwiderstände auf, deren Heizleistung von einer Regeleinrichtung eingestellt wird, die eine Mehrzahl von Reglern aufweist, denen jeweils einer der elektrischen Heizwiderstände zugeordnet ist. Der Regelbereich ist auf den Regler aufgeteilt und es ist jedem der Regler ein anderer Regelbereich zugeordnet. Jeder der Regler umfaßt einen Linearregler und ein Vergleichselement, wobei das Vergleichse­ lement dem Linearregler eine Regeldifferenz aus der Führungs­ größe und dem Istwert der resultierenden Regelgröße zuleitet. Der gesamte Heizbereich wird in eine beliebige Zahl von Teil- Regelbereichen aufgeteilt, um so beispielsweise die mittlere Reglerverlustleistung niedrig zu halten. Die von außen vorgege­ bene Soll-Heizleistung wird dazu zunächst dem niedrigsten der Regelbereiche zugeführt. Für einen nahtlosen, d. h. kontinuier­ lichen Übergang der Regelbereiche wird den Reglern für die nächst höheren Regelbereiche jeweils nur die Differenz aus der dem jeweils nächst niedrigen Regler zugeführten Sollgröße und der von diesem daraufhin erzeugten Stellgröße zugeführt. Wird die Regelgrenze des ersten Reglers erreicht, wird der erste Regler zu 100% zugeschaltet und der zweite Regler aktiviert.

Bei dieser Art eines elektrischen Heizelementes ist nachteilig, daß das Regeln der Heizleistung mit einem Linearregler zu einer Verlustleistung führt, so daß der zur Verfügung stehende Gene­ ratorstrom nicht vollständig zur Heizung umgesetzt werden kann, da ein Teil in Verlustwärme umgewandelt wird. Es besteht die Möglichkeit nur einen Regler im Linearbetrieb zu betreiben und die anderen Regler entweder deaktiviert sind oder im Sätti­ gungsbetrieb betrieben werden. Die Regler, die im Sättigungsbe­ trieb betrieben werden, weisen eine geringe Verlustleistung auf. Diese Verlustwärme muß aber trotzdem abgeführt werden. Insbesondere wenn im unteren Drehzahlbereich wenig Generator­ leistung zur Verfügung steht, wie bei Kurzstrecken- und Stop-and-go-Fahrten, kann die geringe zur Verfügung stehende Genera­ torleistung zur Beheizung nicht optimal umgesetzt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektri­ sches Heizelement, das aus einzelnen Widerständen aufgebaut ist, so auszulegen, daß die zur Verfügung stehende Generator­ leistung optimal zur Heizung der Heizwiderstände verwendet wer­ den kann und dabei sehr wenig Verlustleistung aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des Er­ findungsgegenstandes sind durch die Merkmale der Unteranspruche gekennzeichnet.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltungen liegt darin, daß insbesondere bei Kurzstrecken- und Stop-and-go-Fahrten, wo im unteren Drehzahlbereich wenig elektrische Leistung zur Ver­ fügung steht, die einzelnen Widerstände optimal angesteuert werden, um maximale Heizleistung zu erhalten. Der über einen Leistungsschalter, der pulsweitenmoduliert angesteuert wird, an Batteriespannung gelegte Heizwiderstand ermöglicht eine konti­ nuierliche Steigerung der Heizleistung entsprechend einer vom Generator erzeugten Leistung, ohne daß die Batterie unnötig be­ lastet wird. Diese pulsweitenmodulierte Ansteuerung weist eine elektromagnetische Abstrahlung auf, die in Wechselwirkung zu anderen elektrischen Verbrauchern treten könnte. Es wird aber immer nur ein Reizwiderstand über einen pulsweitenmoduliert an­ gesteuerten Leistungsschalter an Batteriespannung gelegt, so daß im Vergleich zur Gesamtleistung des elektrischen Heizele­ mentes anteilig geringe elektromagnetische Abstrahlung erzeugt wird. Die Ansteuerung der pulsweitenmodulierten Schaltfrequenz erfolgt unter EMV-minimierenden Maßnahmen. Die Schaltfrequenz wird in sehr niedrige Frequenzbereiche zwischen 10 und 40 Hz verlagert und die Anstiegsgeschwindigkeit der Schaltflanken sehr gering gehalten. Die Einschaltrampe beträgt zwischen 4 und 10 ms. Dadurch wird eine Regleriritation des Generators und al­ ler Bordnetzsteuergeräte vermieden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in Ver­ bindung mit einer Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild zur Veranschaulichung der Rege­ lung der Heizung;

Fig 2 eine Tabelle zur Zuschaltung der Heizwiderstände ent­ sprechend gewünschter Heizleistung, sowie

Fig. 3 zwei Tabellen Generatorleistung über Leistung der Wi­ derstände mit ihrer Ansteuerung.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild zur Verdeutlichung der Rege­ lung einzelner Heizwiderstände eines elektrischen Heizelementes 1 entsprechend einer vom Generator G vorgegebenen Leistung. Das elektrische Heizelement 1 ist aus n + 1 Heizwiderständen aufge­ baut. Ihre jeweilige Einzelleistung ergibt aufsummiert die Ge­ samtleistung des gesamten elektrischen Heizelementes 1. Eine Steuereinheit steuert die elektrischen Schalter 7, die die ein­ zelnen Heizwiderstände n an Batteriespannung 8 legen. Hierzu werden über verschiedene Parameter, wie eine Sollwertvorgabe, eine Motordrehzahl d und ein Generatorlastsignal D eine Soll­ wertkennlinie vorgegeben. Ein Komparator Kn vergleicht den vom Generator vorgegebene Leistung und den für den Heizwiderstand benötigte Leistung und steuert den elektrischen Schalter 7, der den Heizwiderstand Rn an Batteriespannung 8 legt. Bei geringe­ rem Generatorlastsignal D wird ein Widerstand Rp über einen pulsweitenmodulierten Leistungsschalter 9 an Batteriespannung 8 gelegt. Über einen Vergleicher 6 wird der vom Generator vorge­ gebene Strom mit den Strömen der an Batteriespannung 8 gelegten Heizwiderstände Rn verglichen und bei noch überschüssigem Gene­ ratorstrom der Leistungsschalter pulsweitenmoduliert angesteu­ ert. Bei Anlegen eines Widerstandes Rp über einen pulsweitenmo­ dulierten Leistungsschalter 9 an Batteriespannung 8 wird über die Pulsbreite die Leistung des Heizwiderstandes von 0 bis ma­ ximal ausgelegter Leistung Pp variiert. Die Widerstände können gleiche und auch unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen. Zur Vermeidung von Leistungslücken sind die Heizwiderstände R1 bis Rn gleich auslegbar. Der elektrische Heizwiderstand Rp wird insbesondere bei geringer Generatorleistung, also bei Kurz­ strecken- und Stop-and-Go-Fahrten, an Batteriespannung gelegt. Der Heizwiderstand Rp des elektrischen Heizelementes 1, der über einen Leistungsschalter 9 an Batteriespannung 8 gelegt werden kann, der pulsweitenmoduliert angesteuert wird, ist an einem Ort größter Luftdurchströmung angeordnet. Die Wärme, die am Heizelement entsteht, wird effizient und schnell abgeführt, wenn das Heizelement von Luft umströmt wird. Diese Luft wird dann zum Heizen des Innenraums in das Fahrzeug geleitet, wenn das elektrische Heizelement als Zusatzheizer vorgesehen ist. Das elektrische Heizelement kann aber auch andere Heizfunktio­ nen erfüllen, wie die Beheizung eines Flüssigkeitskühlkreislau­ fes.

Fig. 2 zeigt zur Verdeutlichung eine Tabelle, in welcher die Generatorleistung P über der Leistung der Widerstände Pn aufge­ führt ist. Zur Erzielung einer bestmöglichen Ausnutzung der Ge­ neratorleistung wird ein Widerstand Rp über einen pulsweitenmo­ dulierten Leistungsschalter 9 an Batteriespannung 8 gelegt wie in Fig. 1 beschrieben. Diese Art der Ansteuerung erfolgt immer dann, wenn die Generatorleistung P um einen Anteil größer ist als die Gesamtleistung eines oder mehrerer zugeschalteter Heizwiderstände. Wenn genügend Generatorleistung P für die vol­ le Heizleistung P1 des Heizwiderstandes R1 zur Verfügung steht, wird der Heizwiderstand R1 mit seiner Gesamtleistung P1 an Bat­ teriespannung 8 gelegt. Es wird immer nur ein Heizwiderstand Rp über einen pulsweitenmoduliert angesteuerten Leistungsschalter 9 an Batteriespannung 8 gelegt. Die anderen Heizwiderstände R1 sind mit ihrer Leistung an die Batteriespannung 8 angelegt oder vollständig abgekoppelt. Die Gesamtleistung P der Lastelemente ergibt sich aus der Summe der fest eingeschalteten und des ei­ nen Heizwiderstandes Rp, das über einen pulsweitenmoduliert an­ gesteuerten Leistungsschalter 9 an Batteriespannung 8 gelegt ist.

Fig. 3 zeigt eine Tabelle, in welcher die Generatorleistung P über die Einzelheizleistung der Heizwiderstände (R1, R2, Rn, Rp) aufgeführt ist. Jeder der n Heizwiderstände (R1, R2, Rn) liefert eine Leistung P1. Der Widerstand Rp, der über einen pulsweiten­ modulierten Schalter an Batteriespannung gelegt wird, hat wenn er zu 100% zugeschaltet ist eine Maximalleistung von P1. Seine Leistung wird aber über die Pulsweite von 0% auf Maximallei­ stung (100%) entsprechend der vorhandenen Generatorleistung an­ gesteuert. In der ersten Spalte wird der Widerstand Rp entspre­ chend der vom Generator gelieferten Leistung über einen puls­ weitenmodulierten Leistungsschalter an Batteriespannung gelegt. Die vom Heizelement gelieferte Heizleistung variiert dann von 0 bis P1. In der zweiten Spalte ist der Fall dargestellt, daß der Generator genügend Leistung bereitstellt, so daß der Heizwider­ stand R1 vollständig an Batteriespannung gelegt ist. Die über­ schüssige Generatorleistung wird dazu benützt, den Heizwider­ stand Rp.

Claims (3)

1. Elektrisches Heizelement (1), insbesondere ein PTC-Heizele­ ment, das aus einer Widerstandsbank mit einzelnen Heizwider­ ständen (R1, R2, Rn, Rp) aufgebaut ist, die von einer Steuerein­ heit (5) über Schaltelemente (7) entsprechend verfügbarer Ge­ neratorleistung an Batteriespannung gelegt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizwiderstand Rp des elektrischen Heizelementes (1) über einen Leistungsschalter (9) an Batteriespannung (8) ge­ legt werden kann, der pulsweitenmoduliert angesteuert wird.

2. Elektrisches Reizelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizleistung des über einen pulsweitenmoduliert ange­ steuerten Leistungsschalter (9) an Batteriespannung gelegten Widerstandes Rp kontinuierlich gesteigert wird und bei Erreichen der Maximalleistung,
ein weiterer freier dieser Heizwiderstände (R1, R2, Rn) an Bat­ teriespannung gelegt wird und zur weiteren kontinuierlichen Steigerung der Heizleistung erneut der Widerstand Rp über den pulsweitenmoduliert angesteuerten Leistungsschalter (9) an Batteriespannung gelegt wird.

3. Elektrisches Heizelement (1) nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand Rp des elektrischen Heizelementes (1), der über einen Leistungsschalter (9) an Batteriespannung (8) gelegt werden kann, der pulsweitenmoduliert angesteuert wird, an einem Ort größter Luftdurchströmung angeordnet ist.