EP1091621B1 - Elektrische Heizung sowie Verfahren zur Regelung einer elektrischen Heizung - Google Patents

Elektrische Heizung sowie Verfahren zur Regelung einer elektrischen Heizung Download PDF

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EP1091621B1
EP1091621B1 EP00440266A EP00440266A EP1091621B1 EP 1091621 B1 EP1091621 B1 EP 1091621B1 EP 00440266 A EP00440266 A EP 00440266A EP 00440266 A EP00440266 A EP 00440266A EP 1091621 B1 EP1091621 B1 EP 1091621B1
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EP
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heating
electric heater
adjusting device
heating resistors
pulse
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Reinhold Dipl.-Ing. Sedlmeier
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Alcatel Lucent SAS
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Alcatel CIT SA
Alcatel SA
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to an electric heater and a method for controlling an electric heater according to the preamble of the independent claims.
  • Heaters for motor vehicles in which the heat generated by a power semiconductor are used as heat sources are known from the prior art.
  • WO 99/07185 describes an electric heater for a motor vehicle in which the heat generated by power semiconductors is used as the heat source.
  • This discharged heat is used directly for heating.
  • the power semiconductors are regulated by control circuits in order to adjust the heating power continuously.
  • the heat-supplying power semiconductors are connected either in parallel or connected in parallel with several current branches, each with two series-connected power semiconductors operated in high-power loss mode.
  • the regulation of the heating power is made possible simply by the fact that the power semiconductors can be controlled individually by means of a jointly predefinable setpoint value and by means of actual values derived from the power semiconductors in the output power. For this individual control, a complex control circuit is needed.
  • the individual heating stages are arranged in a two-dimensional structure in spatially separated strips, each corresponding to a heating resistor.
  • the control of the heating power is realized by connecting or disconnecting the individual stages. Each stage is switched via a switching means.
  • the control of such a heating system takes place in this case by combining the stages and their on / off states.
  • the air to be heated which flows through the heating elements, know no homogeneous temperature profile. If the air flowing through is not adequately mixed after passing through the heating elements or if individual heating stages are assigned to the air ducts for heating individual vehicle areas, then it may cause one area of the passenger compartment in one motor vehicle to be heated, while another will be supplied with cold air.
  • the electric heater according to the invention with the characterizing features of the independent claim has the advantage over the past that a mixing of the air can be omitted with only partial activity of individual heating stages. As a result, the effort is reduced, for example, for mechanical components for mixing. Furthermore, the heating according to the invention ensures a uniform use of all heating stages, and thus distributes the wear to all existing heating stages and thus to all heating resistors.
  • the inventive method for controlling an electric heater allows the target temperature of the cell to be heated, for example, a passenger compartment of a Kraftfahreyaks to regulate in a simple manner.
  • a simple continuous control of an actual temperature to a target temperature is possible.
  • the pulse width control makes it possible by adjusting the respective duration of the current pulses and the time sequence of the current pulses, a flexible control of the heater according to the invention.
  • FIG. 1 an electric heater 1 is shown schematically.
  • a control device 3 contains controllers.
  • the controller 4 are each connected to a heating resistor 2 in connection.
  • the steps are denoted by Roman numerals I, II, III and IV.
  • the output of the electrical heating resistors 2 is opposite the heated cell 5 open.
  • the electrical contacts of the control device 3 are not shown any more than the air ducts through the heating resistors. 2
  • FIG. 2 shows how the heating resistors 2 can be operated with quasi continuous power by a pulse width control of the control device 3.
  • the frequency of the pulse width control is to be selected such that a quasi-stationary state is achieved for heating the heating resistors 2, and secondly that the load on the generator, especially in a motor vehicle, does not reach any noticeable fluctuations.
  • a fluctuation in the electrical system below the 40 Hz, which can be resolved by the human eye, would be noticeable, for example, in the illumination of the vehicle.
  • With a switching frequency of approximately 100 Hz the fluctuation in the voltage of the vehicle electrical system is no longer resolvable and thus no longer recognizable to humans.
  • the individual stages I, II, III, IV are switched on sequentially.
  • the switching frequency of 100 Hz is divided down to the number of stages.
  • the individual stages are clocked at 25 Hz. This is sufficient to bring the heating resistors in a quasi-stationary thermal state, which allows optimum efficiency.
  • the switch-on time for each individual heating resistor can take place within the time interval, depending on the drive power, until the next stage switches on.
  • FIG. 3 shows that the switch-on duration of the stages can also be extended beyond the switch-on point of the following stages.
  • the individual heating resistor of the stage is turned off, except at maximum power, before the time of the new switching sequence of that stage.
  • PTC Physical Temperature Coefficient
  • PTC heating elements such as thermistors are used in the art as heaters. These components have the advantage that they are self-regulating with temperature and can not be overheated. Especially this positive behavior in circuits with excessively high currents makes their use in compact heaters popular.
  • the use of PTC elements is particularly advantageous. The elements achieve a quasi-stationary state by the clocked control. Overshoot of the control by steep pulse edges are suppressed in the PTC element. Thus, no high demands are placed on the design of the electronic control.
  • a temperature difference between the setpoint temperature and the actual temperature is first determined.
  • This temperature difference represents the controlled variable for the pulse width control. If the difference is large, a high heating line is created required to reach the balance quickly.
  • the pulse width control regulates current pulses at the respective heating resistors with a long pulse duration. The current pulses of the individual heating resistors overlap in time, so that an integral large heating line results. It is also conceivable to use in a control system in which the heating resistors are operated in the case of maximum heating power with a continuous stream and only when reducing the heating line, the timing of the current.

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  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)
  • Control Of Resistance Heating (AREA)
  • Heating, Cooling, Or Curing Plastics Or The Like In General (AREA)
  • Cookers (AREA)
  • Central Heating Systems (AREA)

Description

  • Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Heizung sowie einem Verfahren zur Regelung einer elektrischen Heizung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
  • Heizgeräte für Kraftfahrzeuge bei dem als Wärmequellen die von einem Leistungshalbleiter erzeugte Wärme verwendet werden sind aus dem Stand der Technik bekannt. So wird in der WO 99/07185 eine elektrische Heizung für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei der als Wärmequelle die von Leistungshalbleitern erzeugte Wärme verwendet wird. Diese abgegebene Wärme wird direkt zum Heizen verwendet. Die Leistungshalbleiter werden über Regelschaltungen geregelt, um die Heizleistung kontinuierlich einstellen zu können. Die Wärme liefernden Leistungshalbleiter sind dabei entweder parallel geschaltet oder mehrere Stromzweige mit jeweils zwei in Reihe geschalteten und im Hochleistungsverlustbetrieb betriebenen Leistungshalbleiter parallel geschaltet. Die Regelung der Heizleistung wird nach diesem Stand der Technik einfach dadurch möglich, dass die Leistungshalbleiter mittels eines gemeinsam vorgebbaren Sollwertes und mittels von den Leistungshalbleitern abgeleiteten Istwerten in der abgegebenen Leistung individuell regelbar sind. Für diese individuelle Regelung wird eine komplexe Regelungsschaltung benötigt.
  • Ebenfalls aus dem Stand der Technik ist es bekannt die Heizungen als mehrstufige Systeme mit mehrere Heizwiderständen auszuführen. Die einzelnen Heizstufen sind dabei in einem flächigen Aufbau in räumlich getrennten Streifen, die jeweils einem Heizwiderstand entsprechen, angeordnet. Die Steuerung der Heizleistung wird durch Zuschalten beziehungsweise Abschalten der einzelnen Stufen realisiert. Dabei wird jede Stufe über ein Schaltmittel geschaltet. Die Regelung eines solchen Heizsystems erfolgt in diesem Fall durch Kombination der Stufen und deren Ein-/Ausschaltzustände. Durch die Schaltung der diskreten Heizstufen wird die Heizung nicht über die gesamte Fläche gleichmäßig erwärmt. Die zu erwärmende Luft, die die Heizelemente durchströmt, weißt kein homogenes Temperaturprofil auf. Wird die durchströmende Luft nach dem Durchströmen der Heizelemente nicht ausreichend gemischt oder sind einzelne Heizstufen den Luftkanälen zur Beheizung einzelner Fahrzeugbereiche zugeordnet, so kann es dazu führen, dass in einem Kraftfahrzeug ein Bereich der Fahrgastzelle geheizt, ein anderer jedoch mit kalter Luft versorgt wird.
  • Die erfindungsgemäße elektrische Heizung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass eine Durchmischung der Luft bei nur teilweiser Aktivität einzelner Heizstufen unterbleiben kann. Dadurch wird der Aufwand beispielsweise für mechanische Bauteile zur Durchmischung reduziert. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Heizung eine gleichmäßige Benutzung aller Heizstufen gewährleistet, und so der Verschleiß auf alle vorhandenen Heizstufen und somit auf alle Heizwiderstände verteilt.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen elektrischen Heizung möglich.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung einer elektrischen Heizung erlaubt es die Solltemperatur der zu beheizenden Zelle, beispielsweise einer Fahrgastzelle eines Kraftfahrezugs, auf einfache Weise zu regulieren. Mit Hilfe der Pulsweitensteuerung ist eine einfache kontinuierliche Steuerung von einer Ist-Temperatur zu einer Solltemperatur möglich. Die Pulsweitensteuerung ermöglicht dabei durch Einstellung der jeweiligen Dauer der Strompulse sowie der zeitlichen Abfolge der Strompulse eine flexible Ansteuerung der erfindungsgemäßen Heizung.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • Figur 1 schematisch den erfindungsgemäßen Aufbau einer Heizung,
    • Figur 2 eine Pulsweitensteuerung bei geringer Heizleistung und
    • Figur 3 eine Pulsweitensteuerung bei hoher Heizleistung.
  • In Figur 1 ist eine elektrische Heizung 1 schematisch dargestellt. Eine Regeleinrichtung 3 enthält Reglern. Die Regler 4 stehen jeweils mit einem Heizwiderstand 2 in Verbindung. Die Stufen sind dabei mit den römischen Ziffern I, II, III und IV bezeichnet. Der Ausgang der elektrischen Heizwiderstände 2 ist gegenüber der beheizten Zelle 5 offen. Die elektrischen Kontakte der Regeleinrichtung 3 sind nicht weiter dargestellt ebensowenig die Luftführungskanäle durch die Heizwiderstände 2.
  • Figur 2 zeigt wie durch eine Pulsweitenansteuerung der Regeleinrichtung 3 die Heizwiderstände 2 mit quasi stufenloser Leistung betrieben werden können. Die Frequenz der Pulsweitensteuerung ist so zu wählen, dass zu einem für die Erwärmung der Heizwiderstände 2 ein quasi stationärer Zustand erreicht wird, und zum anderen die Belastung des Generators speziell in einem Kraftfahrzeug keine spürbaren Schwankungen erreicht. Eine Schwankung im Bordnetz unterhalb der vom menschlichen Auge auflösbaren 40 Hz würde sich zum Beispiel in der Beleuchtung des Fahrzeuges bemerkbar machen. Mit einer Schaltfrequenz von circa 100 Hz ist die Schwankung in der Spannung des Bordnetzes nicht mehr auflösbar und somit für den Menschen nicht mehr erkennbar. Um die Heizwiderstände 2 gleichmäßig zu erwärmen werden die einzelnen Stufen I, II, III, IV sequentiell eingeschaltet. Um die Schwankungen im Bordnetz gering zu halten wird die Schaltfrequenz von 100 Hz auf die Anzahl der Stufen heruntergeteilt. Im Beispiel der Figur 2 und der vier Heizwiderstände 2 werden die einzelnen Stufen mit jeweils 25 Hz getaktet. Dies reicht aus, um die Heizwiderstände in einen quasi stationären thermischen Zustand zu bringen, der einen optimalen Wirkungsgrad erlaubt. Die Einschaltdauer für jeden individuellen Heizwiderstand kann je nach Ansteuerleistung innerhalb des Zeitintervalls erfolgen, bis die nächste Stufe einschaltet.
  • In Figur 3 ist dargestellt, dass die Einschaltdauer der Stufen auch über den Einschaltpunkt der folgenden Stufen hinaus erstreckt werden kann. In jedem Fall wird der individuelle Heizwiderstand der Stufe außer bei maximaler Leistung vor dem Zeitpunkt der neuen Schaltsequenz dieser Stufe ausgeschaltet. Als Heizelemente werden vorzugsweise sogenannte PTC-(Positive Temperature Coefficient) Elemente eingesetzt, wie sie beispielsweise aus dem EP 0 895 440 A2 bekannt sind. PTC-Heizelemente, beispielsweise Thermistoren werden im Stand der Technik wie Heizgeräte eingesetzt. Diese Bauelemente haben den Vorteil, dass sie mit der Temperatur selbst regulierend sind und nicht überhitzt werden können. Gerade dieses positive Verhalten bei Beschaltungen mit übernormal hohen Strömen macht ihren Einsatz in kompakten Heizgeräten beliebt. Für die erfindungsgemäße elektrische Heizung ist der Einsatz von PTC-Elementen besonders vorteilhaft. Die Elemente erreichen durch die getaktete Ansteuerung einen quasi stationären Zustand. Überschwingen der Regelung durch steile Pulsflanken werden im PTC-Element unterdrückt. Damit sind auch an die Auslegung der elektronischen Steuerung keine hohen Anforderungen gestellt.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst einen Temperaturdifferenz zwischen der Solltemperatur und der Isttemperatur ermittelt. Dies Temperaturdifferenz stellt die Regelgröße für die Pulsweitensteuerung dar. Ist die Differenz groß, wird einen hohe Heizleitung gefordert um den Ausgleich schnell zu erreichen. Die Pulsweitensteuerung regelt an den jeweiligen Heizwiderständen Strompulse mit großer Pulsdauer. Die Strompulse der einzelnen Heizwiderstände überlappen sich zeitlich, so daß einen integrale große Heizleitung resultiert.
    Es ist auch denkbar, bei ein Regelungssystem zu verwenden, in dem die Heizwiderstände im Fall größter Heizleistung mit einem kontinuierliche Strom betrieben werden und nur bei Reduzierung der Heizleitung die Taktung des Stromes erfolgt.

Claims (5)

  1. Elektrische Heizung (1) mit zu beheizender Zelle (5), wenigstens zwei elektrischen Heizwiderständen (2), mindestens zwei Luftführungskanölen, deren Heizleistung durch eine Regeleinrichtung (3) kaskadierbar ist, wobei die Regelgröße von der Differenz der Soll- und Isttemperatur abhängt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Regeleinrichtung (3) eine der Anzahl an Heizwiderständen (2) entsprechenden Regler (4) aufweist,
    die jeweils einem Heizwiderstand (2) zugeordnet sind,
    wobei die Regeleinrichtung (3) jeden Regler (4) getrennt mit einem getakteten pulsförmigen Strom versorgt, dessen Pulsdauer mit einer Pulswertensteuerung der Regeleinriechtung (3) kontinuierlich eingestellt wird.
  2. Elektrische Heizung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Strompulse an den jeweiligen Regler (4) gegeneinander zeitlich verschoben sind.
  3. Elektrische Heizung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Strompulse auf dem jeweiligen Regler(4) sich zeitlich verschoben überlappen.
  4. Elektrische Heizung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Heizwiderstände PTC-Elemente sind.
  5. Verfahren zur Regelung einer elektrischen mit zu beheizender Zelle, wenigstens zwei elektrischen Heizwiderständen (2), mindestens zwei Luftführungskanälen, deren Heizleistung durch eine Regeleinrichtung (3) kaskadierbar ist,
    - wobei eine Solltemperatur in der zu beheizenden Zelle mit einer Isttemperatur verglichen wird,
    - der Regelkreis an die Regler der Heizwiderstände pulsförmige zeitversetzte Ströme abgibt, und
    - die Dauer der Pulse von der Differenz der Temperaturen abhängig eingestellt wird.
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