CN109644525A - 一种电加热器和检测这种电加热器过热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加热流体流的电加热器(1)，其具有加热元件(2)和用于控制由所述加热元件(2)产生的热输出的控制装置(3)，其中，所述加热元件(2)具有电感(L_RHK)，其随温度而变化，同时，设有过热检测装置(4)，其设计为用于检测由所述电感(L_RHK)的变化引起的、流过所述加热元件(2)的电流的变化，与预先定义的限定值进行比较，并在超过所述限定值时确定所述电加热器(1)的过热。本发明还涉及一种用于检测这种电加热器(1)过热的方法。

Description

一种电加热器和检测这种电加热器过热的方法

技术领域

本发明涉及一种电加热器和一种检测这种电加热器过热的方法。

背景技术

这种加热器可用在例如在机动车辆中，用于乘客舱中的室内空气的加热(变热)和电池的加热，用于预热水冷发动机的冷却水，用于预热自动点火内燃机中的火花塞，用于加热燃料，用于解冻工作流体，诸如车窗清洗液或者前照灯清洗液以及SCR催化净化器的尿素溶液等。此外，这种加热器可用于所谓的白色家电，例如烘干机或洗衣机。

特别是在现代车辆中，例如在其电气系统中使用高电压的电动车、混合动力车或燃料电池车，由于缺少或仅暂时可用的热源，例如自内燃机的，必须加热加热回路。通常，加热回路是水回路或水循环系统。

由于这种现代车辆中的发动机热量不能或仅仅有限地作为热供应可用，因此，通常使用电加热器，其具有PTC电阻丝作为加热元件(参见例如文件DE 10 2014 108 074A1)。然而，在低温下，PTC电阻丝的启动行为通常以不希望的高电流峰值为特征，其可以是对应于根据特性曲线的温度的值的3.5倍。此外，最大允许工作点通常为600℃，使得平均工作点不应超过约400℃，以免过度缩短PTC电阻丝的使用寿命。同时，通常只能使用特殊材料(例如一种镍铁合金)的加热丝作为PTC电阻丝。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有长使用寿命的电加热器，其提供高功能安全性并且特别是避免或减少了不希望的启动行为。本发明的另一个目的是提供一种用于检测这种电加热器过热的方法。

该目的通过用于加热流体流的电加热器以及用于检测这种电加热器的过热的方法来实现。

根据本发明的用于加热流体流，特别是液体，例如水或水和乙二醇混合物，的加热器具有加热元件，用于控制由所述加热元件产生的热输出的控制装置，以及过热检测装置。所述加热元件具有随温度变化的电感。优选地，在温度到达限定温度之前，所述电感增加。所述过热检测装置被设计为，使得其检测由所述加热元件电感的变化引起的、流过所述加热元件的电流的变化，与提前定义的/确定的限定值进行比较，并在超过所述限定值时，通过流过所述加热元件的电流的改变确定所述电加热器或其加热元件的过热。当所述电加热器干运转时，即例如，在故障情况下其不被流体绕流时，特别可能发生过热。因此，通过所述过热检测，也可以检测到干运转。

检测由所述加热元件的电感变化引起的、流过所述加热元件的电流变化也应理解为检测一个物理量，所述电流和其变化可以从所述物理量推导出，特别是一个相对所述电流或者其变化成比例的物理量。当例如借助与所述加热元件以串联连接的分流电阻器测量流过所述加热元件的电流时，所述物理量是在所述分流电阻器上下降的电压，其与流过所述加热元件的电流成比例。

可以设置多于一个的加热元件，并且所述控制装置可以设计为用于控制由所述多于一个的加热元件所产生的热输出。相应地，所述过热检测装置可以设计为用于检测由所述多个加热元件的各电感的变化引起的、通过流过所述多个加热元件中的电流的变化，同时，如上面对于一个加热元件的解释，通过与过热的限定值比较进行评定。

除了随温度变化的电感之外，所述加热元件还可以具有也可随温度变化的电阻。

所述加热元件优选地包括其相对磁导率在温度到达限定温度之前增加的材料。随着温度升高，所述加热元件的相对磁导率的增加导致所述加热元件的电感随着温度的升高而增加。优选地，所述加热元件由该种材料构成。

特别优选地，所述加热元件包括铁磁材料。铁磁材料的特征在于μr>>1的特别高的相对磁导率。优选地，所述加热元件由这种铁磁材料构成。作为铁磁材料，可以考虑例如，铁，镍和/或钴。同样，包含铁加镍和/或钴的、具有μr>>1的相对磁导率的合金也是合适的。特别地，可以使用铁、铬和铝的合金。

根据本发明的电加热器优选设计为管状加热体，其包括所述加热元件。所述加热元件优选设计为加热丝。有利地，由上述材料制成的加热丝，特别是铁、铬和铝的合金，是标准加热丝，其可在市场上自由获得。

有利地，由上述材料制成的加热元件基本上不具有不希望的启动行为，即在由冷状态下启动/加热期间不存在不希望的电流峰值。如果根据本发明的加热器，例如其由车辆的电气系统提供电压，则在启动所述电加热器时，与使用PTC电阻加热丝的加热器相比，可以减少并因此改善车辆电气系统的波动。此外，与使用PTC电阻加热丝相比，可以实现更高的工作点。例如，当使用由铁、铬和铝的合金制成的加热丝作为加热元件时，可以实现1350℃的最大工作点，从而得到更高的输出密度和更长的使用寿命。另外，由所述材料制成的加热元件，具有最小的热容量和惯性，其可以实现快速的过热检测。

通过根据本发明的电加热器的过热检测装置，可以确保所述电加热器的功能安全性。通过与预先定义的限定值进行比较，所述过热检测装置确定由温度引起的电感变化导致的所述加热元件电流的变化是否超过允许值，从而检测到所述电加热器的过热并可以启动诸如关闭所述电加热器的相应措施。

有利地，在根据本发明的电加热器中，传感器元件对应于所述加热元件。即，所述加热元件不仅用于加热，还用于检测过热。因此，组件，即所述加热元件，可用于两种不同的目的。

根据本发明的电加热器的过热检测装置优选地包括用于测量流过所述加热元件的电流的电流测量装置，用于求得流过所述加热元件的电流变化的微分器，用于测定流过所述加热元件的电流最大变化的峰值检测器，以及用于将流过所述加热元件的电流最大变化与所述预先定义的限定值进行比较的比较装置。所述过热检测装置进一步优选地设计为，使得其在检测过热时切断所述电加热器或启动关机。为此目的，所述比较装置可发送信号到所述电加热器的控制装置，这致使所述控制装置切断所述电加热器。如上所述，流过所述加热元件的电流也被理解为一个物理量，该电流由所述物理量推导出，特别是与所述电流成比例的物理量，例如在与所述加热元件串联的分流电阻器上下降的电压。所述过热检测装置还可包括放大器。

在根据本发明的用于检测电加热器的过热的方法中，依照本发明，求得由所述加热元件电感的变化引起的、通过流过所述加热元件的电流的变化，将求得的流过所述加热元件的电流的变化与预先定义的限定值进行比较，并且在超过所述预先定义的限定值时确定过热。优选地，在确定过热时，通过所述控制装置关闭所述电加热器。

在根据本发明的方法中，优选地测量流过所述加热元件的电流，算出其导数用于求出流过所述加热元件的电流的变化，其中，所述导数表示所述电流的变化，测定流过所述加热元件的电流的导数的峰值，以及将所述测定的峰值与预先定义的限定值进行比较。如上所述，流过所述加热元件的电流也被理解为一个物理量，可以从该物理量中推导出所述电流。

附图说明

其它有利实施例将参考以下参照附图所示的实施例进行说明。其中：

图1示出了根据本发明的电加热器或其加热元件的电感随温度变化的示例性曲线，

图2示出了根据本发明的电加热器的示意电路图，

图3示出了根据本发明的电加热器的过热检测装置的示意图(图3a))，在过热的情况下，所述过热检测装置中出现的物理变量随时间的示意性曲线(图3b))以及在正常状态下，所述过热检测装置中出现的如图3b)的物理量的示意性曲线(图3c))，以及

图4示出了根据本发明的用于检测根据本发明的电加热器的过热的方法的流程图。

图中给出的尺寸本质上仅是示例性的。

具体实施方式

如下面描述的图2所示的根据本发明的所述电加热器1优选设计为热水器，例如，其设在车辆中的工作流体，例如冷却水，的循环中。为此目的，所述电加热器1优选地设为管状加热体(RHK)或具有线形加热元件2的圆柱形加热体(参见图2)。例如，从申请人的文件DE10 2010 060 446 A1中已知相应的热水器，因此关于所述热水器的具体结构，可以参考本文件中的陈述。然而，所述具体结构对于理解本发明仅起很小的作用，因为根据本发明可以设计和运行不同的加热器类型。

所述电加热器1优选地由车辆的电气系统提供电压，其中车辆电气系统电压特别是车辆中使用的高压电压，其通常在大约120V至大约450V之间。所述加热元件2(以及因而所述电加热器1)具有电感L(也称为电感L_RHK)，其随着温度的升高而增加。

图1示出了与温度有关的、设计为管状加热体的电加热器1的电感随温度变化的实例性曲线。如图1所示，当温度到达限定温度之前，所述电感增加。所述根据本发明的电加热器1的工作范围是在当温度低于其加热元件2的所述限定温度时。

图2示出了根据本发明的所述电加热器1的实施例。所述电加热器1具有加热元件2，其具有串联的电感L_RHK和电阻R_RHK。所述电感L_RHK与温度有关，并随温度升高而增加。为此目的，所述加热元件2优选地由具有相对磁导率μr>>1的铁磁材料制成。

所述加热元件2借助接口连接到电源电压U_HV，例如车辆电气系统的电压或车辆电池的电压，同时通过开关SW1借助另一接口接地(图2中：参考电位“0”)。电感L_RHK和电阻R_RHK的串联电路优选地与二极管D1并联连接，其用作续流二极管。所述二极管D1的阴极连接到所述电源电压U_HV。

所述开关SW1设为例如是晶体管开关，并且其状态由所述控制装置3控制。所述开关SW1可以是所述控制装置3的一部分。如果所述开关SW1为关闭状态，电流(加热电流I_Heiz)流过所述加热元件2，且所述加热元件2产生热量。如果所述开关SW1处在打开状态，则没有电流流过所述加热元件2。因此，根据所述开关SW1的闭合状态的持续时间和所述开关SW1的打开状态的持续时间之间的比率可通过所述控制装置3控制由所述加热元件2所产生的热输出。所述控制装置3相应地优选设为以脉冲宽度调制(PWM)电路的形式的电力电子，其在优选地，恒定的频率或周期下，控制矩形脉冲的占空比，即形成矩形脉冲的脉冲宽度，其中，所述矩形脉冲形成所述开关SW1的输入信号和控制信号。

所述根据本发明的电加热器1还包括过热检测装置4，用于检测所述电加热器1或其加热元件2的过热(见图2和3a))。所述过热检测装置4优选地包括电流测量装置5，微分器6，峰值检测器8和比较装置9。此外，可以设置放大器7，其优选地连接在所述微分器6和所述峰值检测器8之间。

所述电流测量装置5测量流过所述加热元件2的电流。所述电流测量装置5优选地由分流电阻器R_Shunt(图3a)中的R_Shunt)组成，其与所述加热元件2串联连接并且连接在所述开关SW1和地0之间。流过所述分流电阻器R_Shunt的电流在此导致电压下降(图3中的电压U_Shunt)，其与流过所述加热元件2的电流成比例。即，在所述分流电阻器R_Shunt下降的电压U_Shunt与流过所述加热元件2的电流I_Heiz成比例。如果所述加热元件2的电感L_RHK随温度而变化，则流过所述加热元件2的电流I_Heiz以及因此在所述分流电阻器R_Shunt上下降的电压U_Shunt相应地改变。

在脉冲宽度调制的电流流过所述加热元件2时，所述电流I_Heiz的电流脉冲的侧边斜率取决于所述加热元件2的电感L_RHK的大小，其又取决于温度。相应地，由所述电流测量装置5检测的电压U_Shunt的脉冲的侧边斜率取决于所述加热元件2的电感L_RHK的大小，因为所述电压U_Shunt与流过所述加热元件2的电流I_Heiz成比例。如果向所述根据本发明的加热器1提供交流电压，例如在使用所谓的白色家电时，可以设置测量电桥电路作为电流测量装置5，其测量通过所述加热元件的电流的相位差或过零点。

由于所述加热元件2的电感L_RHK在过热发生故障的情况下低于在无过热的正常情况，所述电流I_Heiz或所述电压U_Shunt的侧面斜率相应地在过热发生故障的情况下高于在正常情况下，如在图3b)和3c)所示。

在所述电流测量装置5的下游，所述过热检测装置4具有微分器6。所述微分器6算出所述电流I_Heiz或所述电压U_Shunt的变化，所述变化尤其由与温度相关的、所述加热装置2的电感L_RHK的变化导致。优选地，所述微分器算出所述电压U_Shunt的导数，其与所述电流I_Heiz的导数成比例，且在图3中以U_Diff标记。所述微分器6可以设有例如作为高通电路的电容器C1和电阻R1，其中，所述电容器C1的接口连接到所述开关SW1和所述分流电阻R_Shunt之间的未被进一步标注的节点，同时所述电容器C1的另一接口连接到所述电阻R1，所述电阻R1又借助其另一个接口接地。所述微分器6的输出电压U_Diff的数值大小，由于在过热故障的情况下所述电压U_Shunt的较高的侧面斜率，高于在正常情况下(参见图3b)和3c))。

特别地，为了达到更好的信号分辨率，放大器7连接在所述微分器之后，其可以通过借助电源电压VCC运行的运算放大器10实现。所述运算放大器10优选地设为非反相放大器，在其非反相输入端输入所述微分器6的输出量，即，所述电压U_Diff。分压器借助串联连接的电阻R2和R3连接到所述运算放大器10的输出端，其中，所述运算放大器10的反相输入端连接在所述电阻R2和R3之间。所述运算放大器10(和所述放大器7)的所述输出电压U_Verst(图2中的U1A)对应于所述微分器6的放大的输出电压U_Diff，其中，所述放大器7的所述输出电压U_Verst的数值大小，在过热故障的情况下高于在正常情况下(参见图3b)和3c))。所述放大器7可以设计成，使得其仅输出所述微分器6的输出信号U_Diff的周期的正脉冲作为输出电压U_Verst。

所述放大部7之后设有峰值检测器8，其测定了在工作运行期间通过所述加热元件2的电流I_Heiz的最大变化，特别是最大导数。特别是所述峰值检测器8测定所述放大器7的输出电压U_Verst的最大值，即所述电压U_Verst的峰值。所述输出电压U_Verst作为所述峰值检测器8的输入信号。所述峰值检测器8包括用于整流所述放大器7的输出电压U_Verst的二极管D2，其中，所述二极管D2的阳极连接到所述放大器7的输出端且所述二极管D2的阴极连接到所述峰值检测器8的电阻的R4的一个接口。所述电阻R4的另一接口连接到所述峰值检测器8到电容器C2的一个接口，其另一接口接地。在所述电容器C2上下降的电压U_Spitze对应于所述电压U_Verst一个周期后的电压U_Verst的峰值。

在过热故障的情况下，所述放大器7的输出电压U_Verst(即，所述微分器6的放大的输出电压U_Diff)，其对应于流过所述加热元件2的电流I_Heiz的放大的侧面斜率，大于在正常情况下所述放大器7的输出电压U_Verst。相应地，所述峰值检测器8的输出电压U_Spitze在过热情况下大于在正常情况下(参见图3b)和3c))。

所述峰值检测器8之后设有比较装置9，其优选地由微控制器11组成，其包括主内存和程序存储器(未示出，在下文中:存储器)。所述微控制器11连接在所述电阻R4和所述峰值检测器8的电容器C2之间。用于过热检测的预先定义的限定值优选地存储在所述存储器中，将其与所述峰值检测器8的所述输出电压U_Spitze进行比较。

所述比较装置9或其微控制器11执行如下的对所述峰值检测器8的输出信号U_Spitze的信号评估，即，其将所述峰值电压U_Spitze与所述预先定义的限定值(在图3：故障阈值)进行比较。可以通过存储在所述微控制器11的存储器的程序进行比较。所述的限定值预先定义为，使超过所述限定值则意为所述电加热器1或其加热元件2发生过热。如果所述峰值U_Spitze超过所述预先定义的限定值，所述比较装置9(以及因此所述过热检测设备4)确定所述电加热器1过热。如果所述峰值U_Spitze低于所述限定值或所述峰值U_Spitze等于所述限定值，所述比较装置9则确认所述电加热器1处于正常状态，并且不存在过热。在过热的情况下，所述比较装置9或其微控制器11优选地控制所述电加热器1的控制装置3，使其打开所述开关SW1并因此中断所述加热元件2的供电，以保证功能安全性。

图4示出了根据本发明方法的优选实施例的流程图，所述方法用于检测根据本发明的电加热器1的过热，如在图2中示例性所示。在步骤20中，借助所述过热检测装置4的电流测量装置5对流过所述加热元件2的电流I_Heiz或一个由其推导出所述电流的物理量，例如在所述电流测量装置5的分流电阻器R_Shunt(也称：R_Shunt)上的电压U_shunt，进行测量。

在紧接步骤20的步骤21中，借助于所述过热检测装置4的微分器6算出所述电流I_Heiz的导数，用于计算流过所述加热元件2的电流I_Heiz的变化，特别是与温度相关的变化。在随后的步骤22中，通过所述过热检测装置4的放大器7放大所述求得的电流I_Heiz的变化。

在接下来的步骤23中，借助于所述过热检测装置4的峰值检测器8测定在步骤21中求得的并在步骤22中放大的电流I_Heiz的导数的峰值。在步骤24中，借助于所述过热检测装置4的比较装置9将测定的峰值与预先定义的限定值进行比较。如果所述峰值超过所述限定值，所述比较装置9或所述过热检测装置4在步骤24中则确定所述电加热器1存在过热。

在随后的步骤25中，所述过热检测装置4向所述电加热器1的控制装置3发送存在过热的信号，于是所述控制装置3打开所述电加热器1的开关SW1，从而中断所述加热元件2的供电。

附图标记列表

1 电加热器

2 加热元件

3 控制装置

4 过热检测装置

5 测量装置

6 微分器

7 放大器

8 峰值检测器

9 比较装置

10 运算放大器

11 微控制器

20,21,22,23,24,25 方法步骤

C1,C2 电容器

D1,D2 二极管

I_Heiz 流过所述加热元件的电流

L_RHK 所述加热元件的电感

R1,R2,R3,R4 电阻

R_RHK 所述加热元件的电阻

R_Shunt,R_Shunt 分流电阻器

SW1 开关

t 时间

U_HV,VCC 电源电压

U_Shunt 所述测量装置的输出电压

U_Diff 所述微分器的输出电压

U_Verst 所述放大器的输出电压

U_Spitze 所述峰值检测器的输出电压

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于加热流体流的电加热器，其具有加热元件(2)和以脉冲宽度调制(PWM)电路形式的、用于控制由所述加热元件(2)产生的热输出的控制装置(3)，其特征在于，所述加热元件(2)具有电感(L_RHK)，其随温度变化，同时，设有过热检测装置(4)，其检测由所述电感(L_RHK)的变化引起的、流过所述加热元件(2)的电流的变化，将所述变化与预先定义的限定值进行比较，并在超过所述限定值时确定所述电加热器(1)的过热。

一种用于加热流体流的电加热器，其具有加热元件(2)和以脉冲宽度调制(PWM)电路形式的、用于控制由所述加热元件(2)产生的热输出的控制装置(3)，其特征在于，所述加热元件(2)具有电感(L_RHK)，其随温度变化，同时，设有过热检测装置(4)，其检测由所述电感(L_RHK)的变化引起的、流过所述加热元件(2)的电流的变化，将所述变化与预先定义的限定值进行比较，并在超过所述限定值时确定所述电加热器(1)的过热。

2.如权利要求1所述的电加热器，其中，所述过热检测装置(4)检测由所述电感(L_RHK)的变化引起的、流过所述加热元件(2)的电流脉冲的侧边斜率的变化。

3.根据权利要求1或2所述的电加热器，其中，所述加热元件(2)的电感(L_RHK)在温度达到限定温度之前增加。

4.根据权利要求1所述的电加热器，其中，所述加热元件(2)包含相对磁导率在温度达到限定温度之前增加的材料。

5.根据权利要求4所述的电加热器，其中所述加热元件(2)包含铁磁材料。

6.根据权利要求5所述的电加热器，其中，所述加热元件(2)包含铁或镍或钴或含铁加镍和/或钴的合金作为材料。

7.根据权利要求1所述的电加热器，其中，所述过热检测装置(4)包括电流测量装置(5)，用于求得流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)变化的微分器(6)，用于测定流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)的最大变化的峰值检测器(8)以及比较装置(9)，其用于将流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)的最大变化与预先定义的限定值进行比较。

8.根据权利要求1所述的用于检测电加热器过热的方法，其特征在于以下步骤：

-求出由所述电加热器(1)的加热元件(2)的电感(L_RHK)的变化引起的、流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)的变化，

-将求得的流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)的变化与预先定义的限定值进行比较；以及

-在超过预先定义的限定值时，确定所述电加热器(1)的过热。

9.根据权利要求8的方法,其中

在确定所述电加热器(1)的过热时，所述电加热器(1)是关闭的。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，

-测量流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)，

-求出流过加热元件(2)的电流(I_Heiz)的导数，用于求得流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)的变化，

-测定流过所述所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)的电流的导数的峰值，以及

-将测定的峰值与预先定义的限定值进行比较。

Claims (9)

1.一种用于加热流体流的电加热器，其具有加热元件(2)和用于控制由所述加热元件(2)产生的热输出的控制装置(3)，其特征在于，所述加热元件(2)具有电感(L_RHK)，其随温度变化，同时，设有过热检测装置(4)，其设计为用于检测由所述电感(L_RHK)的变化引起的、流过所述加热元件(2)的电流的变化，与预先定义的限定值进行比较，并在超过所述限定值时确定所述电加热器(1)的过热。

2.根据权利要求1所述的电加热器，其中，所述加热元件(2)的电感(L_RHK)在温度达到限定温度之前增加。

3.根据权利要求1或2所述的电加热器，其中，所述加热元件(2)包含相对磁导率在温度达到限定温度之前增加的材料。

4.根据权利要求3所述的电加热器，其中所述加热元件(2)包含铁磁材料。

5.根据权利要求4所述的电加热器，其中，所述加热元件(2)包含铁或镍或钴或含铁加镍和/或钴的合金作为材料。

6.根据权利要求1所述的电加热器，其中，所述过热检测装置(4)包括电流测量装置(5)，用于求得流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)变化的微分器(6)，用于测定流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)的最大变化的峰值检测器(8)以及比较装置(9)，其用于将流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)的最大变化与预先定义的限定值进行比较。

7.根据权利要求1所述的用于检测电加热器过热的方法，其特征在于以下步骤：

-求出由所述电加热器(1)的加热元件(2)的电感(L_RHK)的变化引起的、流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)的变化，

-将求得的流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)的变化与预先定义的限定值进行比较；以及

-在超过预先定义的限定值时，确定所述电加热器(1)的过热。

8.根据权利要求7的方法,其中

在确定所述电加热器(1)的过热时，所述电加热器(1)是关闭的。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，

-测量流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)，

-求出流过加热元件(2)的电流(I_Heiz)的导数，用于求得流过所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)的变化，

-测定流过所述所述加热元件(2)的电流(I_Heiz)的电流的导数的峰值，以及

-将测定的峰值与预先定义的限定值进行比较。