CN105532072B - 特别用于机动车的电加热电路的控制 - Google Patents

Abstract

一种用于控制电加热电路(2)的设备(1),该设备(1)包括N个并联连接的加热元件(21‑23),根据本发明,该设备(1)包括:N个电子开关(T₁‑T₃),每个电子开关(T₁‑T₃)能串联连接至N个加热元件(21‑23)中的一个；模块(10)，能够接收形式为具有可变占空比的控制信号(PWM)的功率设定点，所述可变占空比作为功率的函数而变化；用于提取所接收控制信号(PWM)的平均值(公式(1))的装置(12)；以及P个比较器(C₁‑C₃)，该整数P小于或等于N，这P个比较器(C₁‑C₃)能够将所提取的平均值(公式(1))与P个不同的阈值(Ref₁‑Ref₃)进行比较，并生成P个比较信号(S₁‑S₃)，每个比较信号用于控制与至少一个加热元件相关联的电子开关(T₁‑T₃)切换至断开或闭合位置。

Description

特别用于机动车的电加热电路的控制

技术领域

本发明总体上涉及对电加热电路的控制，该电加热电路包括多个并联连接的加热元件。

背景技术

本发明尤其涉及机动车辆，在机动车辆中，众所周知的做法是在带有热机的车辆的加热、通风和空调系统中安装一个电加热电路(加热器或附加散热器)，以在车辆开始运行时、且在车辆本身的热量确保此加热之前，来确保车辆内部的快速加热。更具体地，该电加热器用来加热车辆冷却回路中的水。它通常包括多个并联连接的电阻加热元件，优选地为PTC(正温度系数)元件，这些电阻加热元件须被控制以用作操作设定点。

目前，带有嵌入式电子装置的电散热器具有以下三种类型的操作设定点：

对于带有所谓的“逻辑”控制的散热器，两条设定点线连接到控制设备的输入端，这使得可通过组合逻辑来控制多达三个加热元件以达到四个不同的功率水平(0％,33％,67％,100％)。这种操作可以单独控制每个元件，而且使用的是简单控制电子装置，在该简单控制电子装置中，微控制器的存在是没有意义的。然而，这种解决方案需要至少两条设定点线。

对于带有所谓的PWM(脉宽调制)控制的散热器，一条单一的设定点线即可调节形式为低频(通常为几十或几百赫兹的数量级)PWM信号的功率设定点。后者包括微控制器，通常也通过使用较功率设定点所使用的PWM信号频率更低的PWM控制信号，该微控制器解译所接收的功率设定点，并按比例(或根据更复杂的规则)驱动加热元件。因此，在这种情况下，不是逐个元件地进行控制。此外，尽管更为精确，但因为需要有一个微控制器，该解决方案成本高昂。

最后，根据带有PWM控制的散热器的一种可能的变型，一些带有总线控制的散热器已被开发出来，对于这些散热器，功率设定点不是以PWM信号的形式、而是以由LIN、CAN或同等类型的通信总线传递的数字信号的形式出现。此处同样地，微控制器的存在是必要的。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够结合已知解决方案所提供的优点、而不会呈现其缺点的解决方案。特别地，所提出的解决方案能使控制设备基于从一个单一的设定点线上所接收到的PWM设定点信号来控制所述加热电路，而不需要微控制器。

本发明通过提出一种控制电加热电路的方法实现此目的，所述电加热电路包括N个并联连接的加热元件，而每个加热元件能够串联连接至一个与之相关联的电子开关，该方法包括以下步骤：

-接收形式为具有可变占空比的PWM控制信号(PWM)的功率设定点，该可变占空比作为功率的函数而变化；

-提取所接收PWM控制信号的平均值；

-执行P次比较，即执行所提取的平均值与P个不同的阈值之间的比较并生成P个比较信号，该整数P小于或等于N，而每个比较信号用于控制与至少一个加热元件相关联的电子开关切换至断开或闭合位置。

根据其他可能的特征：

-所述整数P等于N，如此，每个比较信号用于控制与一个单一的加热元件相关联的电子开关。

-对于P次比较中的每一个比较，所生成的比较信号适用于：

-如果所提取的平均值小于所述阈值，控制相关联的电子开关切换至断开位置；

-否则，则控制相关联的电子开关切换至闭合位置。

本发明的另一个目的是一种用于控制电加热电路的设备，该电加热电路包括N个并联连接的加热元件,该控制设备包括：

-N个电子开关，每个电子开关能够与N个加热元件中的一个串联连接；

-电子接收模块，其适用于接收形式为具有可变占空比的PWM控制信号的功率设定点，该可变占空比作为功率的函数而变化；

-用于提取所接收PWM控制信号的平均值的装置；

-P个比较器，其适用于比较所提取的平均值与P个不同的阈值并生成P个比较信号，该整数P小于或等于N，而每个比较信号用于控制与至少一个加热元件相关联的电子开关切换至断开或闭合位置。

有利地，所述控制设备可以进一步包括用于生成所述P个阈值的装置。这些装置包括例如带有P+1个串联电阻的分压桥，在基准电压之下，分压桥的两个电阻之间的每一个连接点都会在两个相继的连接点之间产生一个不断增加的阈值。

优选地，该设备的每一个比较器适用于提供一个比较信号，该比较信号其本身适用于：

-如果所提取的平均值小于所述阈值，则控制相关联的电子开关切换至断开位置；

-否则，则控制相关联的电子开关切换至闭合位置。

附图说明

参照附图，通过对本发明的具体实施例的描述，将能更好地理解本发明，且本发明的其他目的、细节、特征和优点将会变得更加清晰明了，而本发明的具体实施例，其纯粹作为说明性而非限制性的例子而被给出，其中：

-图1以简化框图的形式描述了根据本发明的示例性控制设备；

-图2描述了根据本发明的所述控制设备所执行的步骤；

-图3给出了包含在图1所示控制设备中的用于生成基准直流(DC)电压的子组件的实施例；

-图4给出了包含在图1所示控制设备中的另一子组件的实施例例。

在不同的附图中，共同的元件具有相同的参考标号。

具体实施方式

图1简化地描述了设备1基于从一个单一的设定点线上所接收的、形式为PWM信号的功率设定点来控制加热电路2的示例性实施例。作为一个非限制性示例，此处所述加热电路2包含三个并联连接的加热电阻21、22、23，这些加热电阻优选地为PTC电阻。按照惯例，所述控制设备1包括三个电子开关T₁、T₂和T₃，例如三个MOS功率晶体管，每个电子开关能够与所述三个加热电阻21、22、23中的一个串联串接，并根据其闭合或断开状态允许或阻止电流通过这些电阻。

所述PWM信号是具有恒定周期T的周期性信号，此恒定周期T对应于量级为几十赫兹的频率。在周期T内，所述PWM信号在高低水平之间交替。这种交替的特性能够通知设备1要被应用的功率设定点。

在某些情况下，所述PWM信号可由用作开路发射极(相应的源)的双极或MOS晶体管的输出端传递。

作为变型，所述PWM信号由一对推挽式安装的晶体管的输出端传递。

从本发明的角度来看，这两种生成所述PWM信号的方法是等同的。特别地，在这两种情况下，所需操作功率借助于PWM信号的占空比来传达，而该占空比定义为在所述PWM信号的周期内高态的维持时间。在某些情况下，按照惯例设置，所需操作功率借助于PWM信号的负占空比来传达，而该负占空比定义为在所述PWM信号的周期内低态的维持时间。

在下文的说明中，以非限制性的方式，已假定所述PWM信号来源于开路集电极或开路漏极晶体管，且所需功率通过负占空比传达。在这种情况下，负占空比越高，所需功率越大。例如，对于负占空比在5％至95％之间的变化，对应的最大加热功率将在100％至0％之间变化，而当所有的加热电阻21-23同时运行时可获得该最大加热功率。

参照图1和图2，所述PWM信号首先在步骤100由控制设备1在形成电子接收模块10的连接器处接收。鉴于此PWM信号对应于带有开路集电极或漏极的双极或MOS晶体管的输出端，上拉回路的上拉电阻11通常用于将PWM信号上拉至基准电压，例如5伏。在所述上拉电阻11下方，示意性地说明了所述PWM信号的外观。

根据本发明，设备1随后将所接收的PWM信号转换为一个准恒定信号，该准恒定信号的值基本上与PWM信号的占空比(在负的例子中)成正比。要做到这一点，在提取步骤110中，所述设备1将提取所接收PWM控制信号的平均值这可通过利用作为提取装置12的低通RC滤波器很容易地获得，所述低通RC滤波器带有比所述PWM信号的周期T大得多的时间常数。作为一个例子，可使用一个电阻值为4.7千欧的量级的电阻，以及一个电容量为10微法的量级的电容器。

在图1中，示意性地说明了在步骤110结尾时所获得的平均信号的外观。

然后所述平均信号将成为三次与三个不同的阈值Ref₁，Ref₂和Ref₃进行的比较(图2中步骤120,130和140)的对象。

为此，所述设备1包括用于生成所述三个阈值的装置13，以及三个比较器C₁、C₂、C₃，每个比较器C_i(该整数i在1至3之间变化)的输出端连接到了晶体管T_i的输入端(此处为栅极)。

如图3所示，在基准电压之下，所述用于生成三个阈值的装置13可通过包括四个串联电阻R6-R9的分压桥很容易地实现。两个电阻之间的每一个连接点给出了一个阈值Ref₁、Ref₂和Ref₃使得

Ref₁<Ref₂<Ref₃

所述电阻R6-R9优选地具有同样的电阻值，以给予每一个所述加热电阻21-23以相同的权重。

在比较器C₁-C₃的输出端生成的比较信号S₁-S₃将用于控制电子开关T₁-T₃切换至断开或闭合位置，所述电子开关T₁-T₃与至少一个加热元件相关联。

作为一个例子，在所述比较器C_i(i在1到3之间变化)的输出端生成的比较信号S_i适用于：

-如果所提取的平均值小于所述阈值Ref_i，控制相关联的电子开关T_i切换至断开位置(图2中步骤122、132和142)；

-相反，则控制相关联的电子开关T_i切换至闭合位置(图2中步骤121、131和141)。

因此，根据本发明的控制设备1能够将所接收的PWM信号离散化为几个功率水平，以允许对至少一个加热元件的阶梯控制，这里离散为与所述三个阈值Ref₁、Ref₂和Ref₃相对应的三个功率水平。

在优选的实施例中，所生成的阈值的个数与要被控制的加热电阻数相同。

因此，在给出的例子中，可以控制以下几个加热元件的同时运行：

-0个加热元件，例如负占空比为5％的量级时。在这种情况下，所有的开关T1-T3是断开的。

-一个单一的加热元件，通常为电阻21，在负占空比为25％的量级时。在这种情况下，只有开关T₁是闭合的，而开关T₂和T₃是断开的。

-两个加热元件，通常为电阻21-22，在负占空比为50％的量级时。在这种情况下，开关T₁和T₂是闭合的，而只有开关T₃是断开的。

-三个加热元件21-23，在负占空比为75％的量级时。在这种情况下，所有的开关T₁-T₃是闭合的。

然而，不脱离本发明范围，可以考虑进行P次比较，而此处整数P小于要被控制的加热元件的数量N，然后可以考虑利用一个比较器的输出端来控制多个加热元件。

为了避免在所述平均值接近于其中一个阈值的情况下的任何泵浦(Pumping)风险，每一个比较器C_i均优选地与一个滞后电路相关联。一个示例性实施例如图4所示，其中，所述滞后通过从比较器C_i的输出端到比较器C_i的正输入端的、穿过电阻的反馈回路获得。

返回至图1，虽然与本发明的原理不直接相关，但形成PWM信号接收装置的连接器10此外也有利地适用于仅在车辆的加热、通风和空调系统的电机在实际运行时接收KL15信号，该KL15信号对应于车辆的电池电压，通常为12伏的量级。因此，在晶体管T1的栅极处，该KL15信号与所述信号S_i相结合。各种保护措施被有利地利用，诸如保护滤波器14，以及保护开关15，该保护开关15在例如电压过载或欠载的情况下可切换至断开位置。

Claims (7)

1.一种用于控制电加热电路(2)的方法，该电加热电路(2)包括N个并联连接的加热元件(21-23)，每个加热元件能够与相关联的电子开关(T₁-T₃)串联连接，该方法包括以下步骤：

-通过电子接收模块(10)接收(100)形式为具有可变占空比的PWM控制信号(PWM)的功率设定点，该可变占空比作为功率的函数而变化；

-通过所述电子接收模块(10)转换具有所述可变占空比和功率幅度的等效PWM信号，该功率幅度基于由上拉电阻(11)提供的基准电压，

-通过提取装置(12)提取(110)所接收的PWM控制信号(PWM)的平均值

-通过P个比较器(C₁-C₃)执行P次比较(120,130,140)，即执行所提取的平均值与P个不同的阈值(Ref₁-Ref₃)的比较；以及

-基于通过P个比较器(C₁-C₃)执行的P次比较(120,130,140)中的每次，生成P个比较信号(S₁-S₃)，

其中，该整数P小于或等于N，并且每个比较信号用于控制与至少一个加热元件(21-23)相关联的电子开关(T₁-T₃)中的一个切换至断开位置或闭合位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述整数P等于N，使得P个比较信号(S₁-S₃)中的每个用于控制与N个加热元件(21-23)中的至少一个相关联的N个电子开关(T₁-T₃)中的每一个。

3.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，对于P次比较中的每一次，所生成的P个比较信号(S₁-S₃)中的每个：

-如果所提取的平均值小于所述阈值，则控制(122,132,142)相关联的电子开关切换至断开位置；

-如果所提取的平均值大于所述阈值，则控制(121,131,141)相关联的电子开关切换至闭合位置。

4.一种用于控制电加热电路(2)的设备(1)，该电加热电路(2)包括N个并联连接的加热元件(21-23),该控制设备(1)包括:

-N个电子开关(T₁-T₃)，每个电子开关与所述N个加热元件(21-23)中的一个串联连接；

-电子接收模块(10)，其接收形式为具有可变占空比的PWM控制信号(PWM)的功率设定点，该可变占空比作为功率的函数而变化，并且基于由上拉电阻(11)提供的基准电压，通过所述电子接收模块(10)转换具有可变占空比和功率幅度的等效PWM信号；

-低通RC滤波器，其带有比所述PWM信号的周期T大得多的时间常数，该低通RC滤波器提取从该电子接收模块直接接收到低通RC滤波器的PWM控制信号的平均值

-P个比较器(C₁-C₃)，在整数P小于或等于N时，所述P个比较器(C₁-C₃)将所提取的平均值与P个不同的阈值(Ref₁-Ref₃)比较，并生成P个比较信号(S₁-S₃)，

其中，每个比较信号控制与N个加热元件中的至少一个相关联的N个电子开关(T₁-T₃)中的一个切换至断开位置或闭合位置。

5.如权利要求4所述的控制设备(1)，其特征在于，它进一步地包括用于生成所述P个阈值(Ref₁-Ref₃)的装置(13)。

6.如权利要求5所述的控制设备(1)，其特征在于，所述生成装置包括具有P+1个串联电阻的分压桥，在基准电压之下，所述分压桥的两个电阻之间的每一个连接点都会在两个相继的连接点之间产生一个增加的阈值。

7.如权利要求4至6中任意一项所述的控制设备(1)，其特征在于，P个比较器中的每一个提供比较信号(S₁-S₃)，该比较信号(S₁-S₃)：

-如果所提取的平均值小于所述阈值，则控制(122,132,142)相关联的电子开关切换至断开位置；

-如果所提取的平均值大于所述阈值，则控制(121,131,141)相关联的电子开关切换至闭合位置。