CN102668691A - 特别用于混合动力汽车或电动汽车的电加热系统 - Google Patents

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Abstract

一种电加热系统，特别用于混合动力汽车或电动汽车，配备有加热模块（10）。该加热模块（10）配备有电绝缘、热传导的陶瓷衬底（14），其具有彼此隔开的加热区(16)和控制区(18)。加热模块（10）包括电阻加热元件(22)，被布置在陶瓷衬底(14)上的加热区(16)中，并具体为安装在陶瓷衬底（14）上的电阻加热导体(24)。此外，加热模块（10）包括晶体管(26)，用于控制通过电阻加热导体(24)的电流，其中晶体管(26)以及其他选择性出现的电组件(28)和导电带(30)被布置在陶瓷衬底(14)上的控制区(18)中。加热模块（10）配备有第一冷却元件(42)，热耦合到陶瓷衬底(14)的加热区(16)。

Description

特别用于混合动力汽车或电动汽车的电加热系统
技术领域
本发明涉及一种电加热系统，该电加热系统特别适合用于混合动力汽车或电动汽车。
背景技术
包括PTC元件的电加热系统在现有技术中是公知的。由于12V车载电气系统通常用在传统的汽车上，所以相当大量的电流流过PTC元件，该电流由功率晶体管控制。所述晶体管会产生相当高的功率损耗，因此必须使它们冷却。由此增加了设计的复杂性。
在即将到来的混合动力汽车和电动汽车的汽车时代，相关联的车辆电压增至数个100V会导致电加热系统及其加热元件的电流负载的大幅下降。由于电加热系统现在是全加热系统，所以需要电热输出，它是传统PTC辅助加热系统的电热输出的三倍。
在汽车中使用400V左右的高电压车载电气系统考虑了降低电流强度以得到比低电压车载电气系统（例如24V）的电加热器更高的热输出，这进一步允许减小电源线的横截面。然而，高电压的应用需要具有高耐电强度的密封加热元件，其还应当是防斜插（scoop-proof）和防潮的。
发明内容
本发明的目的是提供一种电加热系统，尤其是用于混合动力汽车或电动汽车的电加热系统，其满足了上述要求。
按照本发明，该目的是通过一种电加热系统实现的，尤其是用于混合动力汽车或电动汽车的电加热系统，其配备有：
-加热模块，该加热模块配备有
-电绝缘、热传导的陶瓷衬底，其具有彼此隔开的加热区和控制区，
-电阻加热元件，被布置在陶瓷衬底上的加热区中，并具体为安装在陶瓷衬底上的电阻加热导体，
-晶体管，用于控制通过电阻加热导体的电流，其中所述晶体管以及其他选择性出现的电组件和导电带（conductor tracks）被布置在所述陶瓷衬底上的控制区中，以及
-第一冷却元件，热耦合到所述陶瓷衬底的加热区。
按照本发明，由于使用高电压车载电气系统而导致的最大电流负载的降低允许陶瓷面板加热条，尤其是具有压印的电阻加热导体，被用来替代PTC加热元件。均匀的、遍布的热量生成是有利的，而使用传统的PTC加热系统只发生选择性热输入（热点）。
按照本发明，一种电绝缘、热传导陶瓷衬底被用于电加热系统，所述陶瓷衬底包括加热区和控制区，它们被布置在所述陶瓷衬底的共同侧或不同侧，并在所述陶瓷衬底的平面延伸方向上彼此隔开。电阻加热元件位于所述陶瓷衬底的加热区内，其被配置成涂覆到所述陶瓷衬底上的电阻加热导体，尤其是利用焊膏印刷（paste printing）涂覆。用于控制通过所述电阻加热导体的电流的晶体管位于所述陶瓷衬底的控制区，其中除所述晶体管之外，其他电组件和导电带（conductor tracks）也可以有选择地布置在所述控制区中。所述陶瓷衬底的加热区热耦合到（第一）冷却元件。
在按照本发明的设计中，所述陶瓷衬底是导体板和加热系统的组合，其中加热区和控制区的布置以及冷却元件考虑了实现加热模块的总体热传导，这确保了晶体管和其他选择性提供的电组件（如有的话）不会被过度加热。因此，在加热区生成的热量经由第一冷却元件从那里向外的消散是额定的（rated），以使晶体管和其他选择性提供的组件的功能不受热量影响。
有利地是，所述（第一）冷却元件延伸越过整个陶瓷衬底，以热耦合的方式依靠在陶瓷衬底的一侧上。优选地，电阻加热元件和控制区位于陶瓷衬底的相反侧。在加热区生成的、通过陶瓷衬底传输到控制区的那部分热量因此从控制区传送到第一冷却元件，并被第一冷却元件消散到外边。
在本发明的一个有利实施例中，电阻加热导体被延伸越过所述陶瓷衬底加热区的陶瓷覆盖元件所覆盖，所述陶瓷覆盖元件与所述陶瓷衬底连接以形成复合结构，以及提供有第二冷却元件，其以热传导方式依靠在所述陶瓷覆盖元件并延伸越过加热区，其中由所述陶瓷覆盖元件与所述陶瓷衬底组成的复合结构位于两个冷却元件之间。在本发明的这个实施例中，电阻加热导体以及因此加热区被陶瓷覆盖元件所覆盖，以使第二冷却元件能被布置在陶瓷盖处，所述第二冷却元件热耦合到所述陶瓷盖。所述陶瓷加热元件（陶瓷衬底、电阻加热元件和陶瓷覆盖元件）因此被夹在冷却元件之间。为确保运行安全，如果由所述陶瓷衬底与所述陶瓷覆盖元件组成的复合结构对外部来说是密封的，以防止气体和/或流体进入复合结构，则是有利的，这还进一步产生高的耐电强度。因此，加热模块是防斜插和防潮的。
有利地是，在所述陶瓷衬底的加热区上提供有覆盖所述电阻加热导体的钝化层。该钝化层优选地配置成玻璃钝化层。
由于电阻加热元件（电阻加热导体）被陶瓷元件（陶瓷衬底和陶瓷盖）夹心型覆盖，因此提供了一种易于安装并防斜插的加热元件，其被保护以防止损坏。夹心型陶瓷外壳允许在两个冷却元件之间布置加热元件而没有任何困难，其中陶瓷元件保护电阻加热导体免于损坏。
有利地是，以电阻浆料印刷的形式提供电阻加热导体。这种方法考虑了易于制造电阻加热导体。
在本发明的有利实施例中，由玻璃焊料层提供陶瓷覆盖元件与（玻璃）钝化层的连接，通过该玻璃焊料层使陶瓷覆盖元件与钝化层“融合（fused）”。
有利地是，按照本发明的电加热系统包括温度传感器，该温度传感器被布置在控制区内，其输出信号适于供给评估和控制单元，以便为了防止过热的保护,来实现温度监控。因此，陶瓷衬底上的温度被持久地感测和限制。为了监控温度以及因而发生的温度限制，可以持久地测量电阻加热导体的电流。因此，规定的温度/电阻比率允许在电流特性基础上得出各个加热元件的温度。在这个实施例中，主要为了电加热系统的冗余度和运行安全，利用温度传感器确定温度。
按照本发明的、包括使用陶瓷加热带(Al2O3)形式的加热元件的设计考虑了导体板布局，其指定加热陶瓷上的控制区中驱动器输出级的安置。安置区（控制区）与加热区隔开的空间布置以及所用的陶瓷材料的热传导因子界定从加热区进入控制区的热输入，其中这种热输入还进一步由向第一和/或第二冷却元件的热耗散来界定。输出控制和温度限制保护驱动器输出级在固定的热复合中免于过热，而无需任何额外的努力。
在本发明的优选实施例中，还提供了布置在支承框架上的多个加热模块，每个加热模块包括两个冷却元件，两个冷却元件包括延伸到加热模块的相反侧的散热片，多个加热模块并排设置在支承框架上，其中在呈面对关系的两个相邻加热模块中布置的冷却元件的散热片相互啮合。为了使横跨电加热系统的横截面的流阻梯度均匀，如果支承框架在其沿外部冷却元件的散热片延伸的边缘包括覆盖部，则是有利的，所述覆盖部突出散热片之外并覆盖它们，以使散热片不与相邻冷却元件的散热片相啮合的这些冷却元件的流阻能够被调节到在啮合散热片的区域中占优势的流阻。
附图说明
在下文中，参考附图详细描述本发明的实施例，其中：
图1示出了加热模块的透视图，
图2示出了图1的加热元件的结构分解图，以及
图3示出了包括多个图1和图2所示的加热模块的电加热系统的视图。
具体实施方式
图1示出了加热模块10的透视图，其配置示出在图2的透视和结构分解图中。加热模块10设计成用在车辆中高达400V的高电压车载电气系统中，尤其是混合动力汽车或电动汽车。加热模块10包括中央电加热元件12，其具有如下描述的层组成。加热元件12包括陶瓷衬底14，其分为加热区16和控制区18。两个区16、18都位于图2的陶瓷衬底14的上侧20。在加热区16内，尤其是利用焊膏印刷法，在陶瓷衬底14上提供有电阻加热导体24形式的电阻加热元件22，其电流由晶体管26控制。晶体管26和其他电组件28位于控制区18内，其进一步包括包含接触区域32的导电带布局30。
加热区16被玻璃钝化层34覆盖。在玻璃钝化层34上方，布置有陶瓷覆盖元件36，其通过玻璃焊料层38与玻璃钝化层34连接。陶瓷覆盖元件36在加热区16和控制区18之间的过渡区域终止，以使控制区18中的组件曝露。由陶瓷衬底14、玻璃钝化层34、玻璃焊料层38和陶瓷覆盖元件36组成的总体的复合结构是密封的，显示高的耐电强度，并且因此是防斜插和防潮的。
第一冷却元件42依靠在图2的陶瓷衬底14的下侧40，所述第一冷却元件延伸越过加热区16和控制区18的整个范围。第一冷却元件42由热传导金属材料制成，例如铝合金，并包括基板44，该基板44具有多个从其上突出的单独的散热片46。第二冷却元件48依靠在陶瓷覆盖元件36上，所述第二冷却元件以与第一冷却元件42热耦合到陶瓷衬底14相同的方式热耦合到陶瓷覆盖元件36。第二冷却元件48具有与第一冷却元件42相似的配置，并且包括基板50，该基板50具有多个从其上延伸的散热片52。冷却元件42、48通过夹紧元件54夹持在一起，并且因此被夹在加热元件的两侧。
在加热区16生成的热量通过两个冷却元件42、48消散到外边，其中整个加热模块10被设计成使得控制区18能够保持在不影响电组件功能的温度，尽管控制区布置成紧接着加热区16。温度传感器56能够感测控制区18的温度，这考虑了温度监控。这样的温度监控还能够通过从电阻加热导体的电流特性得到加热元件12的温度来实现。优选地，持久地监控陶瓷衬底的温度。温度监控考虑了加热元件12的电子温度并因此考虑了加热元件12的输出限制。此外，晶体管26被保护免于过热。
如图1和2所示的多个加热模块10能被组合以形成图3所示的电加热系统58。如图3所示，电加热系统58包括框架60，在本实施例中三个加热模块10被并排布置在其中。在此，并排布置的加热元件12的相邻冷却元件42和48的散热片46和52相互啮合。加热模块10的控制区18的接触区域32与控制和评估单元62电连接。由于啮合的散热片46、52，与位于电加热系统58外面的冷却元件42、48的区域相比，电加热系统58具有横跨相邻加热模块10之间的其流横截面的更高流阻。为在这些区域中也实现将流阻调节到加热元件10之间占优势的流阻，在图3中在两侧延伸的框架部分64包括盖66，其部分覆盖散热片46、52。
 
附图标记列表
10   加热模块
12   加热元件
14   陶瓷衬底
16   加热区
18   控制区
20   上侧
22   电阻加热元件
24   电阻加热导体
26   晶体管
28   组件
30   导电带布局
32   接触区域
34   玻璃钝化层
36   陶瓷覆盖元件
38   玻璃焊料层
40   下侧
42   第一冷却元件
44   基板
46   散热片
48   第二冷却元件
50   基板
52   散热片
54   夹紧元件
56   温度传感器
58   加热系统
60   支承框架
62   评估和控制单元
64   框架部分
66  框架的盖部

Claims (9)

1.一种电加热系统，特别用于混合动力汽车或电动汽车，包括：
-加热模块（10），该加热模块具有
-电绝缘、热传导的陶瓷衬底（14），其具有彼此隔开的加热区(16)和控制区(18)，
-电阻加热元件(22)，被布置在陶瓷衬底(14)上的加热区(16)中，并具体为安装在陶瓷衬底（14）上的电阻加热导体(24)，
-晶体管(26)，用于控制通过电阻加热导体(24)的电流，其中所述晶体管(26)以及其他选择性出现的电组件(28)和导电带(30)被布置在所述陶瓷衬底(14)上的控制区(18)中，以及
-第一冷却元件(42)，热耦合到所述陶瓷衬底(14)的加热区(16)。
2.如权利要求1所述的电加热系统，其特征在于：所述加热区(16)和所述控制区(18)布置在所述陶瓷衬底(14)的共同侧(20)，或者在所述陶瓷衬底(14)的不同侧(20,40)。
3.如权利要求1所述的电加热系统，其特征在于：所述加热区(16)和所述控制区(18)提供在所述陶瓷衬底(14)的共同的第一侧(20)上，以及所述第一冷却元件(42)以热传导方式依靠在与所述陶瓷衬底(14)的第一侧(20) 相反的所述陶瓷衬底(14)的第二侧(40)，并延伸越过与所述加热区和所述控制区(16,18) 相反的所述陶瓷衬底(14)的第二侧(40)的全部区域。
4.如权利要求1至3任一项所述的电加热系统，其特征在于：所述电阻加热导体(24)被延伸越过所述陶瓷衬底(14)的加热区(16)的陶瓷覆盖元件(36)所覆盖，所述覆盖元件(36)与所述陶瓷衬底(14)连接以形成复合结构，以及提供第二冷却元件(48)，其以热传导方式依靠在所述陶瓷覆盖元件(36)上并延伸越过所述加热区(16)，其中由所述陶瓷衬底(14)和所述陶瓷覆盖 (36) 构成的复合结构位于两个冷却元件(42,48)之间。
5.如权利要求4所述的电加热系统，其特征在于：在所述陶瓷衬底(14)的加热区(16)上提供有覆盖所述电阻加热导体(24)的钝化层(34)。
6.如权利要求5所述的电加热系统，其特征在于：在所述钝化层(34)与所述陶瓷覆盖元件(36)之间，布置有用于确保紧密连接的玻璃焊料层(38)。
7.如权利要求1至6任一项所述的电加热系统，其特征在于：包括温度传感器(56)，其被布置在所述控制区(18) 内，其输出信号适于供给评估和控制单元(62)，用于监控温度以防止过热。
8.如权利要求1至7任一项所述的电加热系统，其特征在于，包括：多个加热模块（10），各具有两个冷却元件(42,48)，冷却元件包括朝向加热模块（10）的相反侧延伸的散热片(46,52)；以及支承框架(60)，所述加热模块（10）以并排布置的形式被支承在其中，其中两个相邻加热模块（10）的相互面对的冷却元件(42,48) 的散热片(46,52) 相互交叉。
9.如权利要求8所述的电加热系统，其特征在于：彼此相距最远的两个加热模块（10）的外部冷却元件(42,48) 的散热片(46,52) 被支承框架(60)的覆盖部分（66）部分地覆盖。
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