CN103460792A - 电加热设备、包括电加热设备的车辆以及电加热设备的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电加热设备（10；100），其包括至少一个第一电阻加热装置（12，118）和第二电阻加热装置（14；32）、能够进行第一电阻加热装置（12；118）和/或第二电阻加热装置（14；132）的脉宽调制操作的至少一个脉宽调制装置（52；120，126）、以及至少一个切换装置（16，17，20，21；112，122）。该切换装置（16，17，20，21；112，122）能够针对加热操作，在第一加热模式和第二加热模式之间选择性切换第一电阻加热装置（12，118）和第二电阻加热装置（14；132），在该第一加热模式下，第一电阻加热装置（12，118）和第二电阻加热装置（14；132）串联电连接，而在该第二加热模式下，第一电阻加热装置（12，118）和第二电阻加热装置（14；132）并联电连接。本发明还涉及一种包括电加热设备（10；100）的车辆以及一种控制电加热设备（10；100）的方法。

Description

电加热设备、包括电加热设备的车辆以及电加热设备的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电加热设备以及一种包括电加热设备的车辆和一种用于控制电加热设备的方法。

背景技术

在现代车辆中经常采用独立于发动机的车辆加热器或者辅助加热系统。在很多情况下，这样的加热系统配备有用于使车辆的燃料燃烧的燃烧器。在越来越频繁出现的不以燃料运行的电动车辆中，无法采用这样的无关于发动机的或辅助的加热系统，因为电动车辆通常不携载燃料，并因而提供唯独用于加热系统的燃料箱是不合理的。相反，采用电操作加热系统将适合于电动车辆。然而，电加热设备也可以适用于具有内燃机的车辆，从而例如节省燃料。在工作中，电加热器可以对提供给其加热元件的加热电压的波动做出灵敏的响应。另一方面，电加热器本身是具有高性能要求的用电设备，使得诸如脉冲加热操作的波动将对电压源的稳定性造成不利影响。例如，在电加热设备中可能会产生波纹电流，其可能传遍连接到该加热系统的电网。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电加热设备，即使在电源电压发生变化或者电源电压发生波动的情况下，该电加热设备也可以受到有效且精确的控制。还将提供配备这样的加热系统的车辆以及用于控制电加热设备的有效方法。

这一目的由独立权利要求的特征来实现。

根据从属权利要求，本发明的其它有利实施例和进一步发展将变得显而易见。

在本说明书的框架内，应当将电加热设备理解为将电功率转化为热以对介质或体积直接或间接加热的加热系统。这样的介质可以是流体，诸如气体（例如，空气）或诸如液体（例如，水）。具体而言，该电加热设备可提供给例如车辆（诸如电动车辆）的移动部署。为了将电功率转化为热，例如，可以采用电阻加热装置。电阻加热装置可以包括一个或多个电阻器或加热元件。在电流流过时产生热的电阻器可以被视为加热电阻器或加热元件。与线路电阻相比，电阻加热系统中这样的加热电阻器一般具有高电阻值。例如，加热电阻器可以被形成为缠绕成线圈的导线或加热丝。电阻加热系统的特征在于，由其生成的热量中的大部分是由一个或多个电阻器生成的。具体而言，可以设想电阻加热系统转换的电功率基本上或者大部分被转化成了热量。可以将有效用于生成热或者对提供用于加热的介质或体积进行加热的电阻加热系统或加热电阻器的电阻值称为加热电阻值。具体而言，这样的电阻加热系统或加热电阻器可以包括金属和/或导电材料，或者可以由该金属和/或导电材料制造而成。该材料可以具有基本上随温度线性升高的电阻。具体而言，合理的是，加热电阻器或者电阻加热系统包括正温度系数热敏电阻材料或由其制造而成。该材料可以是非陶瓷的。电压源或电流源可以提供用于电加热设备的加热电压或加热电流。这里，车辆的，尤其是电动车辆的车载（on-board）网络可以用作加热电压的电压源。该加热电压或电源电压可以是直流电压。可以将施加至一个或多个电阻加热系统或加热电阻器的用于将电功率转换为热的电压视为加热电压或电源电压。电压源可以提供标称电压。可以设想电压源提供最大电压。这一最大电压可以等于标称电压或者稍微超过该标称电压，具体而言超过1%、5%、7%、10%或20%。标称电压可以等于或超过250V、400V、500V、550V、600V或650V。这里提到的电压值，尤其是阈值可以被视为电压的数量值。因而，通常由于数量更大而必须将-250V的电压视为大于-50V的电压。例如，可以通过检查是否出现了电压值的相关变化而识别出电压值低于还是高于阈值。电源电压在时间上非恒定是可行的，例如，如果在使用中，由于用电设备的连接而使得电压降至标称电压以下。电加热设备可以按照脉宽调制方式来操作。在这种情况下，可以经由脉宽调制装置控制电加热设备和/或电加热设备的一个或多个电阻加热系统，从而使它们根据一个或多个脉冲控制信号来工作。具体而言，可能发生流经电阻加热系统或加热电阻器的电流。在这种情况下，例如，晶体管可以根据脉冲控制信号允许电流流经电阻加热系统。这样的晶体管可以是例如具有绝缘栅电极的双极晶体管（绝缘栅双极晶体管，IGBT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或者另一设计的晶体管。脉宽调制装置可以包括可以通过不同或者相同的脉冲控制信号控制的一个或多个晶体管。脉冲控制信号可以是周期性的。其每一周期可以具有一个或多个零循环。可行的是脉冲控制信号基本上是矩形信号。具体而言，不同的脉冲控制信号就其相位而言可能存在差别。可以指示百分比值作为脉宽调制的测量值。在这种情况下，该百分比值描述一个周期或者时帧中的脉冲控制信号允许电流流经电阻加热系统或加热电阻器的部分。在这一点上，可以将时间上恒定的信号视为具有100%的脉宽调制的信号。可以设想，除非施加相关联的脉冲控制信号，否则脉宽调制装置不允许电流流经一个或多个相关联的电阻加热系统。可以假设，如果脉冲控制信号具有或者超过了预定幅度或者预定幅度数量，则施加用于允许电流流动的脉冲控制信号。可以将电加热设备设计为提供在特定输出范围内的热输出量。具体而言，电加热设备可以是针对最大热输出而设计的。最大热输出可适于最大和/或标称电源电压。最大热输出是或者超过（例如）3000W、4000W、5000W、6000W或7000W都会是合理的。电加热设备相对于其热输出可以是可调整的。可以设想期望或者所需的热输出是可调整的。为此，可以为设定期望的热输出提供设定装置。对于诸如晶体管的切换元件而言，一般适用于以下情况，即，如果向该切换元件施加控制信号或切换信号而使它们处于“接通”状态，则将使它们允许特定的电流流经自身。对于晶体管而言，其尤其意味着，向控制输入（栅极）施加控制信号而允许电流流经晶体管的输入和输出。对于电磁开关而言，切换信号或控制信号可以作用于诸如线圈的螺线管上，以实现期望的开关位置。

描述了一种至少包括第一电阻加热装置和第二电阻加热装置的电加热设备。该电加热设备包括至少一个脉宽调制装置以及至少一个切换装置，该脉宽调制装置能够进行该第一电阻加热装置和/或第二电阻加热装置的脉宽调制操作。该切换装置能够针对加热操作在第一加热模式和第二加热模式之间选择性切换第一电阻加热装置和第二电阻加热装置，在该第一加热模式下，第一电阻加热装置和第二电阻加热装置串联电连接，而在第二加热模式下，第一电阻加热装置和第二电阻加热装置并联电连接。因此，该第一电阻加热装置和第二电阻加热装置根据加热模式而提供不同的总加热电阻，其相应地对电加热设备的加热性能产生影响。在该第一和/或第二加热模式下，该第一电阻加热装置和第二电阻加热装置可以根据脉宽调制装置而导电连接至电压源，从而使加热电流流过或者可以流过它们。在第二加热模式下，如果使该第一电阻加热装置和第二电阻加热装置并联电连接，则与第一电阻加热装置和第二电阻加热装置串联电连接的第一加热模式相比，在该加热系统中将出现总计更低的总加热电阻。由于所描述的布置而确保了将需要很小的安装空间的更加紧凑构造的加热系统。如果电源电压在时间上可调，也能够使电加热设备有效工作。具体而言，不同的加热模式能够将加热操作调整到所需的不同加热能力以及改变电源电压，从而由脉宽调制获得对加热能力的增强控制。第一电阻加热装置和第二电阻加热装置的加热电阻值可以基本相等或者具有不同的设计。在相同加热电阻值的情况下，将实现对电加热设备的尤为简单的操纵和控制。该电阻加热装置，尤其是该电阻加热装置的加热电阻器可以与要加热的介质接触。这样的介质可以是流体，诸如气体（例如，空气）或者诸如液体（例如，水）。可以设想，电阻加热装置的被提供为与所要加热的介质接触的加热电阻器通过合适的电绝缘来相对于该介质（尤其是水）绝缘。在这种情况下，合理的是绝缘具有良好的导热性。电加热设备可以具有两条可独立于彼此切换的关闭路径。可以通过脉宽调制装置提供第一条关闭路径。具体地，合理的是对于脉宽调制装置而言，如果不向其提供电流或者不向其提供脉冲控制信号，则将中断或者停止该加热系统的加热操作。还可以设想，如果采用多个脉冲控制信号和/或脉冲控制信号路径，则该脉宽调制装置关闭加热系统，例如因为已经发生了故障。可以通过切换装置提供第二关闭路径。可以有利的是，当处于不向切换装置提供电流和/或不施加切换信号和/或不施加特定切换信号时，切换装置关闭加热系统或者中断或停止向第一电阻加热装置和/或第二电阻加热装置进行能源供应。切换装置可以包括一个、两个或者更多可独立切换的切换元件。该切换元件可以是机电和/或半导体切换元件。脉宽调制装置可以包括一个、两个或更多可独立切换的元件，具体而言，该元件可以是半导体元件。

可以设想，该切换装置还能够为了进行加热操作而将第一电阻加热装置和第二电阻加热装置切换到唯独使第一电阻加热装置或者唯独使第二电阻加热装置工作的第三加热模式。之后，可以对独自工作的电阻加热装置进行切换，从而根据脉宽调制装置将其导电连接至电压源，进而使加热电流流过或者可以流过它。具体而言，可以设想关闭不在第三加热模式下工作的电阻加热装置，或者在该加热模式下不在第三加热模式下工作的电阻加热装置将不被导电连接至电源电压。因此，可以采用仅取决于第一电阻加热装置或第二电阻加热装置的附加的加热电阻值进行加热操作。可取的是将切换装置形成为使其能够将第一电阻加热装置切换到第三加热模式下的独自工作以及将第二电阻加热装置切换至第四加热模式下的独自工作。因而可以实现电阻加热装置的冗余度。此外，在第一电阻加热装置的电阻值和第二电阻加热装置的电阻值是不同的情况下，则可以采用另外的加热电阻值进行加热操作。

可以将切换装置形成为继电器电路。具体而言，可以提供一个或多个电操作或者可电操作的机械开关作为集电器元件，以在加热模式之间进行切换。可以提供这样的开关作为切换装置的开关元件。其实现了加热装置的鲁棒设计。可取的是切换装置另外包括一个或多个可切换的半导体元件作为切换元件。

可以将切换装置形成为准全桥。这里可以主要采用半导体切换元件。这样的准全桥经济有效，且节省空间。此外，采用这样的解决方案不会发生可能带来令人烦扰的切换声音。

在进一步的发展中，第一电阻加热装置的加热电阻值可以基本上等于第二电阻加热装置的加热电阻值。由此得到了对称且尤为简单的电加热设备设计。

在第一加热模式和/或第二加热模式下，可以将第一电阻加热装置和第二电阻加热装置连接至共同的电源。可以以这种方式实现电加热设备的简单控制和简单操作。

具体而言，电加热设备可以包括控制装置，或者连接至或可连接至控制装置。例如，可以将控制装置形成为包括合适的微控制器或控制芯片的电子控制装置。在这种情况下，如果控制装置与较高级别的控制装置通信和/或将控制装置形成为除了对电加热设备进行控制之外还能够控制其它装置的公共控制装置，这是可取的。例如，可以将电加热设备的控制装置例如经由合适的车辆通信网络（诸如总线系统，尤其是CAN总线或LIN总线）连接至车辆的车载计算机。也可行的是，将电加热设备的控制装置直接集成到车辆的车载计算机系统或者车辆的空调装置内。控制装置可以连接至用于设定所需的加热输出的设定装置。可行的是设定装置包括用户接口，用户能够经由该用户接口直接或者间接设定或影响所需的加热输出。可以将控制装置经由输出连接至切换装置和/或脉宽调制装置。具体而言，可以将控制装置设计为通过切换信号控制切换装置或切换装置的切换元件。可以设想，控制装置通过相关联的脉冲控制信号控制脉宽调制装置。

可以将控制装置设计为基于电源电压的电压值和/或电加热设备的所需加热输出来控制切换装置和/或脉宽调制装置。因而，电加热设备在加热电压或电源电压具有不同值的情况下能够很好地响应于电源电压的不同值，并还可以受到有效且精确地控制。具体而言，可取的是：将控制装置设计为对切换装置进行控制，以获得一加热模式，这一加热模式在具有特定的所需加热输出和/或给定的电源电压的情况下以最大可能的脉宽调制（即在周期期间的最大可能的加热率）来工作。可以通过将加热系统或切换装置切换到一加热模式实现这一目的，在这一加热模式中，总加热电阻是可以在给定的电源电压下提供所需的加热输出的最高可设定总电阻。以这种方式，可以采用脉冲周期的最大可能的部分进行加热。可以将控制装置设计为与一个或多个传感器通信。可取的是，将控制装置连接至电压传感器。可以将电压传感器设计为测量加热电压。可行的是，电压传感器可以能够向控制装置发送与所测电压相关的电压信号。具体而言，可以设想控制装置能够向切换装置和/或脉宽调制装置发送合适的切换和/或控制信号。

具体而言，可以设想将控制装置设计为，如果电加热设备的电源电压的电压值处于第一阈值和比第一阈值低的第二阈值之间的范围，则将控制切换装置以使该电加热设备工作在第一加热模式下。例如，第一阈值可以是电源电压的标称值或者可以比该值大适当的值。具体而言，第一阈值可以比标称值大大约1%、5%、10%、15%或20%。在这种情况下，第一加热模式基本上等于电源电压处于标称值的范围内的标称工作模式。

可以将控制装置设计为，如果电加热设备的电源电压的电压值小于第三阈值则控制切换装置以使该电加热设备工作在第二加热模式下。具体而言，第三阈值可以小于等于第二阈值。因而，在高电源电压的情况下，可以使加热工作在第一加热模式下，在该第一加热模式下，由于第一电阻加热装置和第二电阻加热装置串联电连接因而存在高的总加热电阻。因而可以将脉宽调制执行为使加热电流实际上在脉冲周期的尽可能长的时间期间流动。假设相同的所需输出和低的电源电压，则可以将电加热设备切换至工作在第二加热模式下，在该第二加热模式下给出了低的总加热电阻。

可取的是，将该控制装置设计为如果电加热设备的电源电压的电压值处于从第三阈值到大于第三阈值的第四阈值的范围内，则控制该切换装置使电加热设备工作在第三加热模式下。在这种情况下，第四阈值尤其可以小于如上所述的第二阈值。因此，仅采用电阻加热装置之一进行加热的加热模式所产生的结果介于具有电阻加热装置并联连接的工作和具有电阻加热装置串联连接的加热模式之间。以这种方式可获得甚至更宽的操作选择范围。当然，可以设想将控制装置设计为，如果电加热设备的电源电压的电压值处于从第四阈值到大于第四阈值的第五阈值的范围内则切换该切换装置以使电加热设备工作在第四加热模式下。如果第一电阻加热装置和第二电阻加热装置的电阻值彼此不同，则这种做法将尤为可取。在这一点上，可以设想采用或者切换到具有较高电阻值的电阻加热装置以在第四加热模式下进行加热，而在第三加热模式下采用或者切换到具有较低加热电阻的电阻加热装置进行加热。

具体而言，配备有文中描述的电加热设备的车辆是可行的。在这种情况下，可以通过车辆的车载网络提供电加热设备的电源电压。车载网络可以提供具有上文提及的标称值之一的电源电压。根据车辆的工作状态和/或类型，电源电压的值处于例如0V、100V、150V、200V、250V和标称值的范围内。具体而言，车辆可以是电动车辆。

此外，描述了一种用于控制电加热设备的方法，其中，电加热设备可以是文中描述的电加热器之一。针对加热操作，任选使第一电阻加热装置和第二电阻加热装置切换到第一加热模式或者第二加热模式，对于第一加热模式而言，第一电阻加热装置和第二电阻加热装置串联电连接，对于第二加热模式而言，第一电阻加热装置和第二电阻加热装置并联电连接。可以设想，将第一电阻加热装置和第二电阻加热装置切换至唯独使第一电阻加热装置或者唯独使第二电阻加热装置进行加热操作的第三加热模式。具体而言，可以设想针对该加热模式关闭不在第三加热模式下工作的电阻加热装置。可取的是将第一电阻加热装置切换至对于第一加热模式独自工作，且将第二电阻加热装置切换至对于第四加热模式独自加热操作。可以由切换装置实施电阻加热装置的对应加热模式的切换。在第一加热模式和/或第二加热模式下，可以将第一电阻加热装置和第二电阻加热装置连接至共同电源。可以设想，由控制装置控制切换装置，从而实现在加热模式之间的切换。控制装置可以与更高级别的控制装置通信，和/或被形成为对除电加热设备之外的其它装置也进行控制的公共控制装置。控制装置可以连接至用于设定所需加热输出的设定装置，或者与其通信。控制装置可以基于电源电压的电压值和/或所需的电加热设备的加热操作，来控制切换装置和/或脉宽调制装置。尤其可取的是，控制装置对切换装置进行控制，以获得一加热模式，这一加热模式允许在特定的所需加热输出和/或给定电源电压的情况下，以尽可能高的脉宽调制（即在周期期间的尽可能高的加热率）来工作。可以通过将加热系统或切换装置切换到总加热电阻为最高总电阻的加热模式来实现这一点，其中可以在能够提供所需的加热输出的给定电源电压上设定该总加热电阻。控制装置可以与一个或多个传感器通信。可取的是，将控制装置连接至电压传感器。电压传感器可以测量加热电压。可行的是，电压传感器将与所测电压相关的电压信号发送至控制装置。控制装置可以基于其从一个或多个传感器（尤其是从电压传感器和/或设定装置）接收到的信号控制切换装置。可以设想，如果电加热设备的电源电压的电压值处于从第一阈值到低于第一阈值的第二阈值的范围内，则控制装置控制切换装置，以使电加热设备工作在第一加热模式下。如果在电加热设备的电源电压的电压值低于第三阈值，控制装置则可以对切换装置进行控制，以使电加热设备工作在第二加热模式下。具体而言，第三阈值可以小于等于第二阈值。可以根据加热系统工作的加热模式执行脉宽调制，以使得加热电流实际在脉冲周期的尽可能长的时间期间流动。在相同的所需输出和更低的电源电压的情况下，可以将电加热设备切换至工作在第二加热模式中，在该第二加热模式中，得到较低的总加热电阻，以便尽管是低的电源电压也能够提供所需的加热输出。可取的是，如果电加热设备的电源电压的电压值处于从第三阈值到大于第三阈值的第四阈值的范围内，控制装置对切换装置进行控制，以使电加热设备工作在第三加热模式下。在这种情况下，第四阈值尤其可以小于上文提及的第二阈值。可以设想，如果电加热设备的电源电压的电压值处于从第四阈值到大于第四阈值的第五阈值的范围内，则控制装置对切换装置进行控制，以使电加热设备工作在第四加热模式下。如果第一电阻加热装置和第二电阻加热装置的电阻值彼此不同，这种做法尤为可取。在这一点上，可以设想采用或者切换到具有较高电阻值的电阻加热装置来在第四加热模式下加热，而采用或者切换到具有较低加热电阻的电阻加热装置来在第三加热模式下加热。对于阈值和电压值而言，关于电加热设备所述的内容均适用。

附图说明

现在将参考附图借助优选实施例通过示例的方式来描述本发明，其中：

图1示出了包括继电器电路的电加热设备的示意性视图；

图2示出了包括准全（quasi-full）桥的电加热设备的示意性视图；以及

图3示出了包括不同脉冲的加热电流的视图。

具体实施方式

在图1中示意性示出了电加热设备10。电加热设备10包括第一加热电阻器12和第二加热电阻器14，该第一加热电阻器12和第二加热电阻器14在本示例中用作第一电阻加热装置和第二电阻加热装置。提供第一开关16，可以经由线圈17使该第一开关16在“接通”状态和“关断”状态之间进行切换。可以经由第一切换线18为线圈17提供功率。将第一开关16形成为继电器开关。在图1中，将该开关示为处于“关断”状态。此外，提供第二开关20，可以经由线圈21使该第二开关20在“接通”状态和“关断”状态之间进行切换。在图1中，将被形成为继电器开关的开关20示为处于“关断”状态。可经由第二切换线22为线圈21提供功率，以对开关20进行切换。可以将第一开关16、第二开关20、以及相关联的线圈17、21视为切换装置的元件。将切换线18和22连接至切换电压源24的公共电极。为此，提供切换线18和22的切换节点19，其经由切换线圈17、21连接至切换线18和22。在该示例中，切换电压源可以为切换线18、22提供12V的切换电位。如果经由切换线18施加了相关联的切换电压，则可以为线圈17提供功率，从而将第一开关16切换至“接通”状态。类似地，可以通过向切换线22施加电压信号而为线圈21提供功率，以对开关20进行切换。

此外，提供用于电加热设备10的电压源的电极26、28，经由电极26、28提供加热电压。连接至电压源的第一电极26的电源线30在电源节点32处分支成第一电源支路34和第二电源支路36。将第一电源支路34连接至第一开关16。将第二电源支路36连接至第二开关20。可以将第一电源支路34经由第一开关16连接至第一加热线38，在该第一加热线38中设置了第一加热电阻器12。此外，提供连接至电压源的第二电极的第二电源线40。第二电源线40在第二电源节点42处分支成第三电源支路44和第四电源支路46。将第二电源线40的第三电源支路44连接至第一开关16。将第一开关16设置为使其能够在“关断”状态下将加热线38连接至第二电源线40的第三电源支路44。在“接通”状态下，第一开关16将加热线38连接至第一电源线30的第一电源支路34。将第二电源线40的第四电源支路46经由加热节点48连接至第一加热线38。将第二加热电阻器14连接在加热节点48和第二电源节点42之间的第四电源支路46中。将第一加热电阻器12连接在加热节点48和第一开关16之间的加热线38中。将第二开关20经由继电器线50连接至加热节点48。将第二开关20经由继电器线50连接至加热节点48。在“接通”状态下，第二开关20将第一电源线30的第二电源支路36连接至加热节点48。在“关断”状态下，将不会经由第二开关20在加热节点48和电源线30、40之一之间建立导电连接。此外，在第二电源线40的第二电源节点42和电源电压的第二电极28之间提供脉宽调制装置52。在这种情况下，将脉宽调制装置52形成为晶体管，在该示例中，为IGB晶体管。将脉宽调制信号或脉冲控制信号经由控制线54作为控制信号发送至脉宽调制装置52。具体而言，可以将脉宽调制装置52的输入端和输出端（集电极和发射极）设置为使得输入端连接至第二电源节点42而输出端连接至电极28。将脉宽调制装置52的控制输入端（栅极）连接至控制线54。如果由脉宽调制信号或者脉冲控制信号将脉宽调制装置52切换为通路，则根据原理加热电流可以在电压源的电极26、28之间流动。在由于例如信号运行在周期性的零点或者根本未施加任何信号而未向控制线54施加信号的时间期间，相应地，在电源电压的电极26、28之间没有电流流动。因此，因为在未经由控制线54施加脉宽调制信号的情况下，电加热设备10将由此而被关闭，所以经由脉宽调制装置52启用了电加热设备10的第一关闭路径。脉冲控制信号可以是矩形信号。连接至切换线18、22和控制线54的箭头表示能够向切换线18、22或者控制线54施加切换信号或者脉冲控制信号的控制装置的输出。该控制装置基于经由电极26、28提供的电源电压的电压值和/或电加热设备的所需热输出，来控制切换装置和/或脉宽调制装置52。为此，它经由其输出端输出相关联的切换信号和/或控制信号。

电加热设备10的在该情况下包括开关16和20的切换装置可以进行如下切换。

如果第一开关16和第二开关20都处于“关断”状态，在电压源的第一电极26和第二电极28之间则能够不存在导电连接。因此，经由开关16、20建立了与第一关闭路径无关的第二关闭路径。

如果第一开关16处于“关断”状态而第二开关20处于“接通”状态，第一加热电阻器12和第二加热电阻器14将并联连接。将第一电源节点32经由第二开关20、加热节点48、第二加热电阻器14和第二电源节点42导电连接至第二电源线40。此外，经由第二电源支路36、第二开关20、加热节点48、加热线36中的加热电阻器12、以及开关16建立第一电源线30到与之平行的第二电源线40的导电连接。实际上，开关16在“关断”状态下将加热线38连接至第二电源线40的第三电源支路44。因此，第一加热电阻器12和第二加热电阻器14可以并联工作，并且可以根据经由控制线54控制的脉宽调制装置52向第一加热电阻器12和第二加热电阻器14提供加热电流。

如果第一开关16处于“接通”状态而第二开关20处于“关断”状态，则经由第一电源线30、第一电源支路34、“接通”开关16、经由加热节点48包括第二加热电阻器14的加热线38、包括第二加热电阻器14的第四电源支路、以及第二电源节点42在电压源的第一电极26至电压连接的第二电极28之间建立导电连接。因此，为第一加热电阻器12和第二加热电阻器14提供串联加热电流，并以串联连接来工作。

如果第一开关16和第二开关20分别处于“接通”状态，则经由第一电源节点32、第二电源支路36、第二开关20、继电线50、加热节点48、包括第二加热电阻器14的第四电源支路46、以及第二电源节点42建立从第一电源线30到第二电源线40的连接。因此，可以为第二加热电阻器14提供功率。将加热线38中的第一加热电阻器12经由第二开关20和第二电源支路36以及经由第一开关16和第一电源支路34连接至第一电源节点32，从而在第一加热电阻器12两端不发生电压降。因此，在这种情况下，仅向第二加热电阻器14提供功率，并因此根据脉宽调制装置52的控制对该第二加热电阻器14进行加热操作。

在该示例中，由于仅将脉宽调制装置52形成为需要相当大切换负载的半导体通路，因而所产生的切换损耗低。作为继电器的开关16、20能够基本上无负载地被切换。此外，可以将该切换装置设计为，该继电器在缺陷控制的情况下分别处于“关断”状态，例如如果继电器变为断开，由此使加热电阻器自动与电源电压断开。

图2示出了包括准全桥的加热100的示意性视图。电加热设备100包括连接至电压源的第一电极102的第一电源线104。第一电源线104在第一电源节点105处分支成第一电源支路108和第二电源支路110。将第一电源支路108连接至高侧第一切换晶体管112。第一加热线114将形成为IGB晶体管的较高侧第一切换晶体管112连接至加热节点116。具体而言，可以将第一切换晶体管112的输入端（集电极）连接至第一电源支路108，并将输出端（发射极）连接至第一加热线114。将第一加热电阻器118和第一脉宽调制器120的输入端（集电极）串联连接至加热节点116。将该较低侧脉宽调制器120形成为IGB晶体管。将第二电源支路110连接至也被形成为IGB晶体管的较高侧第二切换晶体管122的输入端。将第二切换晶体管122的输出端经由线124连接至第二脉宽调制器126的输入端。在线124中，在第二切换晶体管122和第二脉宽调制器126之间提供第二加热节点128。连接了第二加热电阻器132的加热线130从第二加热节点128分支出。将加热线130连接至第一加热节点114，从而将第二加热电阻器132连接在第一加热节点114和第二加热节点128之间。将第一脉宽调制器120和第二脉宽调制器126的输出端经由线连接至共同的输出节点134。另一方面，将输出节点134连接至电压源的第二电极136。因此，将脉宽调制器120、126的输出端连接至电压源的第二电极136。将第一切换线138连接至第一切换晶体管112的控制输入端（栅极），从而控制该第一切换晶体管112。以类似的方式，将第二切换线140连接至第二切换晶体管122的控制输入端，从而控制该第二切换晶体管122。可以经由切换线138、140将相关联的切换信号输出至切换晶体管112、122，从而允许电流经由切换晶体管112、122的输入端和输出端从电压源的第一电极102流出。将第一控制线142连接至较低侧第一脉宽调制器120的控制输入端。根据脉宽调制信号，可以经由第一控制线142接通或关断第一脉宽调制器120。将第二控制线144连接至第二脉宽调制器126。与第一脉宽调制器120类似，可以根据施加到第二控制线144的信号来接通或关断第二脉宽调制器126。第一脉宽调制器120和第二脉宽调制器126被单独形成，并且可以独立于彼此受到控制。可以将它们视为脉宽调制装置的元件。具体而言，可以设想通过如由图2中的信号波形所指示的发生了180°相移的脉宽调制矩形信号来控制第一脉宽调制器120和第二脉宽调制器126。以这种方式，将导致完全减少的波纹电流，由此使车载网络提供更加稳定的电流或电压源。如果脉宽调制装置120、126两者均未处于“接通”状况，则在电压源的第一电极102和电压源的第二电极136之间没有电流流动。因此，由可独立切换的脉宽调制器120、126建立了第一关闭路径。尤其是在用于脉宽调制器的控制信号发生故障的情况下，确保了不会进行加热操作。如结合图1提到的，将切换线138、140和控制线142、144与未详细描述的控制装置的输出端连接，控制装置能够向切换线138、140或者控制线142、144施加切换信号或脉冲控制信号。该控制装置基于由电极102、136提供的电源电压的电压值和/或电加热设备的所需热输出，来控制切换装置和/或脉宽调制装置。为此，它经由其输出端输出相关联的切换信号和/或控制信号。在该示例中，可以将切换晶体管112、122视为切换装置的元件。加热电阻器118相当于第一电阻加热装置，而加热电阻器132相当于第二电阻加热装置。

如果较高侧第一切换晶体管112处于“关断”状态，且较高侧第二切换晶体管122处于“接通”状态，则将适当地仅开启第一脉宽调制装置120。因此，将存在从电压源的第一电极102经由第二电源支路110、第一切换晶体管122、第二加热节点128、包括第二加热电阻器132的加热线130、第一加热节点114、第一加热电阻器118和第一脉宽调制器120流到输出节点134的电流。如果第二脉宽调制器126在这种情况下未受到控制，而处于不传导任何电流的“关断”状态，则第一加热电阻器118和第二加热电阻器132相对于经由第一脉宽调制器120的导电路径串联连接。因此，可以根据施加至第一脉宽调制器120的控制信号使加热电流经由串联连接的加热电阻器118、132流动。在这种状态下，应当例如通过控制装置不将第二脉宽调制器126切换至“接通”状态，以避免第二切换晶体管122和第二脉宽调制器126之间的短路。

假设将第一切换晶体管112切换至“接通”状态，且将第二切换晶体管122切换至“关断”状态，则将根据脉宽调制器120的控制建立不同可能的电流路径。如果仅通过脉宽调制控制信号控制第一脉宽调制器120，而第二脉宽调制器126保持关闭，则将经由第一脉宽调制器120建立从第一电极102经由第一电源线104、第一电源节点106、第一切换晶体管112、第一加热节点114、第一加热电阻器118到输出节点134，并由此到电压源的第二电极136的电流路径。因此，只对第一加热电阻器118进行加热。在第一脉宽调制装置120不受控制但第二脉宽调制器126受到控制的情况下，将会产生电流将仅流经第二加热电阻器132而不流经第一加热电阻器118的导电路径。如果将脉宽调制装置120、126二者都控制到“接通”状态，则基本上并联通过第一加热电阻器118和第二加热电阻器132。然而，严格来说，只有在将两个脉宽调制装置120、126同时切换至“接通”状态的情况下才能获得加热电阻器118、132的并联连接。如果用于脉宽调制装置120、126的脉宽调制的信号具有相同的相位或者取得脉冲跨越整个脉冲周期延伸的百分之百的脉宽调制，则尤其是这种情况。对于相移控制而言，电流可能交替流经第一加热电阻器118和第二加热电阻器132，即在脉宽调制器120、126之一由于脉宽调制信号而正处于“接通”状态，而另一脉宽调制器126处于“关断”状态时。因此，在这样的时间期间并未给出狭义的并联连接。

因此，对于图2所示的示例而言，将出现将第一切换晶体管112和第二切换晶体管122同时切换至“关断”状态的选择——能够独立于第一关闭路径切换的相对于第一关闭路径冗余的单独的第二关闭路径。如果将切换晶体管112和122这两者都切换至“接通”状态，则可根据晶体管的控制产生不同的电流路径。在这种情况下也应当通过例如控制装置的适当控制来避免切换晶体管122和脉宽调制器126的短路。具体而言，一般可以设想通过控制装置来防止或禁止第二切换晶体管122和第二脉宽调制器126同时处于“接通”状态。如果使第二脉宽调制器126保持在“关断”状态，则将产生主导加热过程的通过第一加热电阻器118的优选电流路径。

由于与第二切换晶体管122和第二脉宽调制器126相反，第一切换晶体管112和第一脉宽调制器120因为加热电阻器118连接在它们之间而并非直接相互连接，因而可以将图2所示的电路称为准全桥。在紧凑型设计中，可以将其制造成纯半导体解决方案。可以设想将四个半导体电路，即例如第一切换晶体管112、第二切换晶体管122以及第一和第二脉宽调制器120、126实现为桥式模块。在该示例中，将晶体管实现为IGB晶体管。然而，也可能采用任何合适类型的晶体管。

图3示出了在电路的不同加热电阻值的情况下的可能的脉冲电流汲取（draw）的视图。示出了随着以毫秒为单位的时间t而变化、由电压源提供且具有以安培A为单位的电流强度I的加热电流。U表示所施加的加热电压，P表示加热输出，Rlast表示总加热电阻，并且PWM表示脉宽调制程度。对于所示出的曲线I、II和III而言，加热的电流汲取分别等于1,562瓦。这等于加热所需的加热输出。通常而言，热功率消耗的表示如下：

$P={l_{\mathrm{eff}}}^2\·R={(l_{\mathrm{amp}}\·{\left(\mathrm{vt}\right)}^{\frac{1}{2}})}^2\·R={l_{\mathrm{amp}}}^2\·\mathrm{vt}\·R,$

其中，R表示总电阻，l_eff表示由脉冲调制修改的加热电流的有效电流强度，l_amp表示加热电流的最大电流强度，并且vt表示脉宽调制的脉冲占空因数（即在脉冲周期期间加热电流流过的时间和脉冲周期持续时间之间的比）。因此，图3中的曲线的最高电流强度值分别对应于l_amp。在该示例中，生成了具有矩形波形式的加热电流。

该加热可以是图1或图2所示的加热器之一。第一加热电阻器和第二加热电阻器分别被设计出具有大约20欧姆的电阻。因此，对于加热电阻器的并联连接而言，获得了大约Rlast=10欧姆的总负载。对于仅向一个加热电阻器提供加热电流的具有单个负载的电路而言，将获得大约Rlast=20欧姆的加热电阻值。在加热电阻器串联连接的情况下，加热电阻值将等于大约Rlast=40欧姆。对于所有的三条曲线而言，假设U=250V的电源电压。

第一曲线I对应于第一加热模式，即，加热电阻器的串联连接，其对应于图1所示的第一开关16接通且第二开关20关断的情况，或者对应图2所示的第一切换晶体管112关断且第二切换晶体管122接通的情况。在这种情况下，对于预定的P=156W的输出而言可以实现100%的脉宽调制，从而获得基本上恒定的电流。加热电流的电流强度I等于6.25A。

如果在第三加热模式下，仅采用加热电阻器之一（其与图1所示的第一开关16和第二开关20接通的情况或者图2所示的在脉宽调制装置的相对应的控制的情况下接通第一切换晶体管112且关断第二切换晶体管122的情况相一致），则总加热电阻Rlast等于20欧姆。脉宽调制等于50%，由此获得了在曲线II中看到的脉冲信号。根据上述公式在脉冲期间流经选定的加热电阻器的电流强度等于12.5A。

对于第三曲线III而言，假设第二加热模式，即加热电阻器的并联连接。对应地，获得了10欧姆的最低总加热电阻。这对应于图1所示的关断第一开关16且接通第二开关20的情况，或对应于图2所示的在脉宽调制装置的相对应的控制的情况下接通第一切换晶体管112且关断第二切换晶体管122的情况。该脉宽调制仅为25%，其产生了25.0A的进一步提高的电流强度。

从图3可以看出，在需要P=1562W的加热输出的情况下，则加热电阻器的串联连接是所期望的。实际上，以这种方式，可以在信号稳定（具有高的脉冲占空因数）的情况下采用低电流强度，由此使开关负载和波纹电流作用具有最低的影响。同时，在这种情况下，可以比曲线II和II的情况更加精确地控制加热输出，这是因为能够利用脉冲波调制的全宽。具体而言，必须考虑到，在不做出实质且成本密集的努力的情况下通常只能以大约1%的精度来控制脉宽调制。因此，如果需要低于1526W的加热输出，则对加热输出可以实现比曲线II和III更为精确的控制。如果需要更高的加热输出，则显然不能通过降低脉宽调制而实现这一目的。因此，为了获得更高的加热输出，该加热必须被连接为使加热电阻器不再串联连接，即，使得离开曲线I。对于所需的高达大约3000W的加热输出而言，优选转到曲线II，即，仅启动加热电阻器之一。对于超过大约3000W直到最大输出大约6000W的加热输出而言，如本实例中所设想的，优选采用在第一加热模式下的加热电阻器的并联连接，即，选择曲线III。

在上文的描述、附图以及权利要求中公开的本发明的特征从单独的角度和组合的角度均对本发明的实现很重要。

附图标记列表

10  加热

12  第一加热电阻器

14  第二加热电阻器

16  第一开关

17  线圈

18  第一切换线

19  交换节点

20  第二开关

21  线圈

22  第二切换线

24  切换电压源的电极

26  电极

28  电极

30  第一电源线

32  第一电源节点

34  第一电源支路

36  第二电源支路

38  加热输出

40  第二电源线

42  第二电源节点

44  第三电源支路

46  第四电源支路

48  加热节点

50  继电线

52  脉宽调制装置

54  控制线

100 电加热设备

102 电极

104 第一电源线

106 电源节点

108 第一电源支路

110 第二电源支路

112 第一切换晶体管

114 加热线

116 第一加热节点

118 第一加热电阻器

120 第一脉宽调制器

122 第二切换晶体管

124 线

126 第二脉宽调制器

128 第二加热节点

130 加热线

132 第二加热电阻器

134 输出节点

136 电极

138 第一切换线

140 第二切换线

142 第一控制线

144 第二控制线

Claims (15)

1.一种电加热设备（10；100），包括：

至少一个第一电阻加热装置（12，118）和第二电阻加热装置（14；132），

至少一个脉宽调制装置（52；120，126），其能够进行所述第一电阻加热装置（12，118）和/或所述第二电阻加热装置（14；132）的脉宽调制操作，

以及至少一个切换装置（16，17，20，21；112，122），

其中，所述切换装置（16，17，20，21；112，122）能够针对加热操作，在第一加热模式和第二加热模式之间选择性切换所述第一电阻加热装置（12，118）和所述第二电阻加热装置（14；132），在所述第一加热模式下，所述第一电阻加热装置（12，118）和所述第二电阻加热装置（14；132）串联电连接，而在所述第二加热模式下，所述第一电阻加热装置（12，118）和所述第二电阻加热装置（14；132）并联电连接。

2.根据权利要求1所述的电加热设备，其中，所述切换装置（16，17，20，21；112，122）还能够针对加热操作将所述第一电阻加热装置（12，118）和所述第二电阻加热装置（14；132）切换至第三加热模式，在所述第三加热模式中，所述第一电阻加热装置（12，118）或所述第二电阻加热装置（14；132）被单独操作。

3.根据权利要求1或2所述的电加热设备，其中，所述切换装置（16，17，20，21）被形成为继电器电路。

4.根据权利要求1或2所述的电加热设备，其中，所述切换装置（112，122）被形成为准全桥。

5.根据权利要求1到4之一所述的电加热设备，其中，所述第一电阻加热装置（12，118）的加热电阻值基本上等于所述第二电阻加热装置（14；132）的加热电阻值。

6.根据权利要求1到5之一所述的电加热设备，其中，在所述第一加热模式和/或所述第二加热模式下，所述第一电阻加热装置（12，118）和所述第二电阻加热装置（14；132）连接至共同的电流源（26，28；102，136）。

7.根据权利要求1到6之一所述的电加热设备，其中，所述电加热设备（10；100）包括控制装置，或者被连接至或可连接至控制装置。

8.根据权利要求7所述的电加热设备，其中，所述控制装置被设计为基于电源电压的电压值和/或所需的所述电加热设备（10；100）的加热输出，来控制所述切换装置（16，17，20，21；112，122）和/或所述脉宽调制装置（52；120，126）。

9.根据权利要求1到8之一所述的电加热设备，其中，所述控制装置被设计为，如果所述电加热设备（10；100）的电源电压的电压值处于从第一阈值到小于所述第一阈值的第二阈值的范围内，则控制所述切换装置（16，17，20，21；112，122），以使所述电加热设备（10；100）工作在所述第一加热模式下。

10.根据权利要求1到9之一所述的电加热设备，其中，所述控制装置被设计为，如果所述电加热设备（10；100）的电源电压的电压值小于第三阈值，则控制所述切换装置（16，17，20，21；112，122），以使所述电加热设备（10；100）工作在所述第二加热模式下。

11.根据权利要求10所述的电加热设备，其中，所述控制装置被设计为，如果所述电加热设备（10；100）的电源电压的电压值处于从所述第三阈值到大于所述第三阈值的第四阈值的范围，则对所述切换装置（16，17，20，21；112，122）进行切换，以使所述电加热设备（10；100）工作在第三加热模式下。

12.一种车辆，包括根据权利要求1到11之一所述的电加热设备（10；100）。

13.根据权利要求12所述的车辆，其中，所述电加热设备（10；100）的电源电压由所述车辆的车载网络提供。

14.根据权利要求12或13所述的车辆，其中，所述车辆是电动车辆。

15.一种用于控制根据权利要求1到11之一所述的电加热设备（10；100）的方法，其中，所述切换装置（16，17，20，21；112，122）针对加热操作，在第一加热模式和第二加热模式之间选择性切换所述第一电阻加热装置（12；118）和所述第二电阻加热装置（14；132），对于所述第一加热模式而言，所述第一电阻加热装置（12；118）和所述第二电阻加热装置（14；132）串联连接，而在所述第二加热模式下，所述第一电阻加热装置（12；118）和所述第二电阻加热装置（14；132）并联电连接。

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