CN112637975B

CN112637975B - Ptc加热元件以及ptc加热模块

Info

Publication number: CN112637975B
Application number: CN202011072553.XA
Authority: CN
Inventors: 马塞尔·胡勒斯; 伊莎贝尔·穆诺茨·鲁维奥; 福克·菲里格; 罗宾·万克
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2040-10-09
Also published as: DE102019215470A1; CN112637975A; US20210144810A1

Abstract

本发明涉及一种用于车辆的PTC加热模块的PTC加热元件(1)。PTC加热元件(1)包括具有两个主表面(3a、3b)的PTC热敏电阻(2)，所述两个主表面在PTC热敏电阻(2)的厚度方向(DR)上彼此相对定位并且彼此间隔开。PTC加热元件(1)还包括两个导电接触层(4a、4b)，所述接触层分别施加到PTC热敏电阻(2)的主表面(3a、3b)上。根据本发明，接触层(4a、4b)的整个几何面积(F₄)与主表面(3a、3b)的整个几何面积(F₃)之间的总商数(Q)基本上低于1并且基本上高于0。本发明还涉及一种用于车辆的PTC加热模块，所述PTC加热模块具有至少一个这样的PTC加热元件(1)。

Description

PTC加热元件以及PTC加热模块

技术领域

本发明涉及一种用于车辆的PTC加热模块的PTC加热元件。本发明还涉及一种用于车辆的具有至少一个这样的PTC加热元件的PTC加热模块。

背景技术

PTC加热模块(PTC：正温度系数)用于流体的加热，以及尤其能够用于电池电动车辆中客舱内空气的加热。PTC加热模块通常包括多个彼此并排地电气连接的PTC加热元件。单个的PTC加热元件由PTC热敏电阻或所谓的PTC石和施加在该石上的导电接触层组成。电压通过接触层引入PTC热敏电阻中，并且由此在PTC热敏电阻中产生热量。然后该热量能够被散发到客舱内空气中。

因此将要力求达到的目的是，新一代PTC加热模块不再仅在12V-48V车辆系统中运行，而且还直接在电池电动车辆的高压电气系统中以400V或800V的牵引电池的电压水平运行。当PTC热敏电阻在高压系统中运行时，它会自身发热并且开始减小其电阻，直到减小到最小。在此范围中，PTC热敏电阻显示出所谓的NTC特性(NTC：负温度系数)。在较高的温度下，在PTC热敏电阻中会出现特征性的电阻增加，并且从而导致所需的突然调节。此时，PTC热敏电阻在所谓的PTC范围内运行。

PTC热敏电阻的NTC范围与PTC范围之间的过渡是PTC加热模块在每次打开时必须经过的所谓过渡点。在设计高压车辆系统的所有部件时，例如导线、电路板或PCB(PCB：印刷电路板)、带有绝缘栅电极的双极晶体管或IGBT(IGBT：绝缘栅双极晶体管)、插头等，都必须考虑在过渡点时产生的最大电流。最大电流在此取决于PTC热敏电阻的几何形状和特定的电阻。

通常，PTC加热模块被提供用于在预定的电压范围内运行，并且PTC热敏电阻的电阻也相应地在该电压范围进行设计。然而，电压范围越宽，PTC热敏电阻的电阻的优化设计就越困难。此外，PTC加热元件由于其结构还充当电容器。因此，PTC加热模块在功率控制期间借助于脉冲宽度调制产生与容量有关的电流，并且因此引起电压峰值。这会对电池电动车辆的高压车辆系统造成巨大的压力。

由PTC加热模块或PTC加热元件引起的高压车辆系统的总负载危及电池电动车辆的正常运行。

因此，本发明的目的是为常规类型的PTC加热元件提供一种改进的或至少替代性的实施例，在该实施例中克服了上述缺点。本发明的另一目的是提供一种具有至少一个这样的PTC加热元件的相应改进的PTC加热模块。

发明内容

本发明基于这样的总体思想：将在PTC加热元件以及由此PTC加热模块的加热期间的最大电流密度减小到必要的最小值，并且以此方式使车辆电气系统的负载最小化。

PTC加热元件被提供用于车辆的PTC加热模块。特别地，车辆能够是电池电力车辆。PTC加热元件包括具有两个主表面的PTC热敏电阻，所述两个主表面在PTC热敏电阻的厚度方向上彼此相对定位并且彼此间隔开。PTC热敏电阻的主表面通常相互平行排列。PTC热敏电阻通常为长方体。PTC热敏电阻的厚度在厚度方向上由两个主表面彼此之间的距离限定。PTC加热元件还包括两个导电接触层，所述接触层分别施加到PTC热敏电阻的主表面上。因此，PTC热敏电阻沿厚度方向布置在两个接触层之间并且以导电方式连接到它们。PTC加热元件用于加热流体-特别是空气。PTC热敏电阻能够由PTC陶瓷形成。导电接触层以导电的方式连接到PTC热敏电阻，从而PTC热敏电阻能够通过接触层集成到电源电路中并且被提供电压。利用所施加的电压，PTC热敏电阻能够加热并且将产生的热量传递到热交换器，从而散发到流体(即液体或空气)中。根据本发明，接触层的整个几何面积与主表面的整个几何面积之间的总商数基本上低于1并且基本上高于0。

术语“总商数”等同于术语“商数”和“比率”。关于本发明，术语“基本上”是指接触层的总几何面积与主表面的总几何面积彼此相差至多85％并且至少5％。总商数为0.05至0.85。然后，使用接触层以总商数等于85％时为0.85、总商数等于5％时为0.05来覆盖整个主表面。优选地，各个接触层是相接的并且具有平整的几何图形的形状，该形状能够是凸的，并且也能够是凹的。优选地，各个接触层具有凸多边形或凹多边形的形状。优选地，各个接触层均匀地分布在各个主表面上，从而在PTC热敏电阻中或在PTC热敏电阻的内部区域中至少存在均匀的条件。

因为PTC热敏电阻的主表面没有完全被接触层覆盖，所以与具有相同PTC热敏电阻且主表面被完全覆盖的常规PTC加热元件相比，减小了PTC加热元件的电容。由此，与常规的PTC加热元件相比，能够减小与电容有关的电流，并且因此也能够减少电压峰值。总商数应该在给定的数值范围内选择，以便在所需的强度下产生期望的效果。

由于PTC热敏电阻的结构，PTC热敏电阻的两个主表面具有相同的尺寸，并且具有相同的几何面积。总商数能够通过各个接触层的几何面积来确定和适配。然后，根据本发明的两个PTC加热元件能够具有相同的PTC热敏电阻，但是由于所选择的总商数而不同。当总商数在给定的数值范围内减小或增大时，则PTC热敏电阻的主表面被接触层覆盖不同的程度。因此，这允许调节PTC加热元件的电容，并且减小与电容有关的电流，从而减小电压峰值。

有利地能够规定，总商数为0.1至0.8，优选地为0.2至0.7，更优选地为0.2至0.5，甚至更优选地为0.3至0.5。在0.1至0.8的总商数的数值范围内，能够显着减小PTC加热元件的电容，从而减小与电容有关的电流，进而减小电压峰值。在0.2至0.7的总商数的数值范围内，这种效果尤其明显。在0.2至0.5的总商数的数值范围内，能够减小PTC加热元件的厚度，而不会明显改变使用条件。在0.3至0.5的总商数的数值范围内，加热量也能够显着提高。因此，根据总商数的选定数值范围，能够适配PTC加热元件的单个或多个特性。

有利地，在两个导电接触层中，各个接触层的几何面积与分配给接触层的各个主表面的几何面积之间的商数能够彼此不同。换言之，两个主表面能够不同程度地被相应的接触层覆盖。但是，接触层的总几何面积与主表面的总几何面积之间的总商数能够保持不变。这使得能够进一步优化PTC加热元件的特性。如果PTC热敏电阻的主表面尺寸相同时，则总商数比上述两个商数之和小两倍。

在PTC加热元件的有利的改进方案中规定，在PTC热敏电阻的至少一些内部区域中，两个接触层彼此之间的距离大于PTC热敏电阻的厚度。换言之，两个接触层彼此之间的距离大于PTC热敏电阻的主表面彼此之间的距离。在PTC热敏电阻的至少一些内部区域中，两个接触层不能在PTC热敏电阻的厚度方向上重叠。换言之，PTC热敏电阻的内部区域中的接触层能够横向于厚度方向相对于彼此偏移地施加。如果两个接触层在PTC热敏电阻的厚度方向上不重叠，则它们之间的距离不能再平行于厚度方向来确定，并且因此大于PTC热敏电阻的厚度。

距离始终由两个接触层彼此之间的最短距离来确定。PTC热敏电阻的内部区域是与其侧表面间隔开的区域，因此，PTC热敏电阻的内部区域布置在PTC热敏电阻的中心。侧表面在边缘处从一个主表面延伸到另一个主表面，并与它们一起从外部限制PTC热敏电阻。如果PTC热敏电阻为长方体，则PTC热敏电阻共有四个侧表面，这些侧表面垂直于主表面定向并且成对地彼此垂直。内部区域也必须与边缘区域不同，在该边缘区域中，PTC热敏电阻的特性会受到侧表面上发生的边缘效应的影响。

如果接触层之间的距离不同于PTC热敏电阻的厚度，则用于电子的有效电流路径增加，并且PTC加热元件的电容减小。因此，能够减小与电容有关的电流，并且因此能够减小电压峰值。这种效果尤其能够在0.2至0.5的总商数的数值范围内实现，因为在PTC热敏电阻的所有内部区域中接触层之间的距离能够增加。因此，能够在不显着改变其使用特性的情况下减小PTC热敏电阻的厚度。

在PTC加热元件的有利的改进方案中规定，各个接触层包括梳状结构。梳状结构包括多个接触带，所述多个接触带彼此间隔开并且彼此平行地布置，并且在一侧或两侧上相接。因此，接触层保持相接，但并未完全覆盖PTC热敏电阻的主表面。梳状结构使得PTC热敏电阻的主表面形成均匀分布的接触，从而能够提高PTC加热元件的加热量。在0.3至0.5的总商数的数值范围内，这种效果特别明显。在此，能够根据PTC加热元件所需的特性或所需的总商数来调整梳状结构。可以想到的是，例如，各个梳状结构的接触带彼此不等距离地布置。还可以想到的是，各个梳状结构的接触带具有彼此不同的宽度和/或长度。另外，可以想到的是，各个接触带的宽度小于或也大于其与相邻接触带中的至少一个的距离。

有利地，能够附加地规定，两个接触层分别具有梳状结构。然后，将各个梳状结构以两个梳状结构的各个接触带彼此平行的方式施加到PTC热敏电阻的主表面上。在这种情况下，一个梳状结构的至少一些接触带没有位于另一梳状结构的任何接触带对面。换言之，梳状结构至少在区域中在厚度方向上不重叠。由此，如上所述，接触层之间的距离能够大于PTC热敏电阻的厚度。因此，能够实现上述优点。

作为梳状结构的替代，各个接触层能够具有螺旋结构。然后，螺旋结构具有多个回旋，这些回旋从主表面的中心发散，并且一直覆盖到侧表面。在此，两个接触层也能够具有螺旋结构。然后，将两个螺旋结构以两个螺旋结构的各个回旋在厚度方向上不重叠的方式施加到PTC热敏电阻的主表面上。由此，在PTC热敏电阻的至少一些内部区域中，两个接触层之间的距离能够以相同的方式大于PTC热敏电阻的厚度。这样，能够以相同的方式实现上述优点。

还可以想到的是，接触层单独地或成对地也具有与梳状结构和螺旋结构不同的结构。如上面已经解释的，各个接触层具有平整的几何图形的形状，该几何图形能够是凸的，也能够是凹的。优选地，各个接触层具有凸多边形或凹多边形的形状。

本发明还涉及一种用于车辆的PTC加热模块，其具有上述至少一个PTC加热元件。特别地，车辆能够是电池电力车辆。在此，各个PTC加热元件的一个接触层以导电方式连接到正极触点，并且各个PTC加热元件的另一接触层以导电方式连接到负极触点。特别地，PTC加热模块能够包括彼此并排电连接的多个PTC加热元件。

本发明的其他重要特征和优点从附图以及通过附图从附图说明中获得。

应当理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，上述特征以及在下文中将要说明的特征不仅能够在所述的各个组合中使用，还能够是在其他组合中使用或者单独使用。

附图说明

附图中示出了本发明优选的实施例，并且在下面的描述中对其进行详细说明，其中相同的附图标号表示相同或相似或功能相同的部件。

分别示意性地示出

图1是根据本发明的PTC加热元件的视图；

图2是图1所示的PTC加热元件沿图1所示的截面A-A的剖视图；

图3和图4是图1所示的PTC加热元件的主表面的平面图；

图5是在另一实施例中的PTC加热元件的主表面的平面图；

图6是图5所示的PTC加热元件沿图5所示的截面B-B的剖视图；

图7是在另一实施例中的PTC加热元件的主表面的平面图；

图8是图7所示的PTC加热元件沿图7所示的截面C-C的剖视图；

图9是另一实施例中的PTC加热元件的主表面的平面图；

图10是图9所示的PTC加热元件沿图9所示的截面D-D的剖视图；

图11是另一实施例中的PTC加热元件的两个接触层的布置的视图；

图12是图11所示的PTC加热元件沿图12所示的截面E-E的剖视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于车辆的PTC加热模块的PTC加热元件1的视图。PTC加热元件1包括PTC热敏电阻2，该热敏电阻例如由PTC陶瓷制成。PTC热敏电阻2在此是长方体的，并且具有两个主表面3a和3b，这两个主表面在厚度方向DR上彼此相对定位并且相互间隔开。两个主表面3a和3b彼此之间的距离限定了PTC热敏电阻2的厚度D_PTC。此外，PTC热敏电阻2具有四个侧表面5，这些侧表面彼此成对并且垂直于其两个主表面3a和3b。侧表面5彼此在边缘处连接主表面3a和3b，并且与该主表面一起从外部限制PTC热敏电阻2。图2即示出了图1所示的PTC加热元件2沿截面A-A的剖视图。图3和图4示出了图1所示的PTC加热元件1的主表面3a和3b的平面图。

此外，PTC加热元件1包括两个导电接触层4a和4b，它们被施加到PTC热敏电阻1的各个主表面3a和3b上。各个接触层4a或4b是相接的，但是没有完全覆盖PTC热敏电阻2的各个主表面3a或3b。各个接触层4a或4b分别具有几何面积F_4A或F_4B，并且各个主表面3a或3b分别具有几何面积F_3A或F_3B。各个几何面积F_4A或F_4B与各个几何面积F_3A或F_3B的商数Q_A或Q_B在此是低于1且高于0。因此，以下适用：

Q_A＝F_4A/F_3A并且0<Q_A<1；

Q_B＝F_4B/F_3B并且0<Q_B<1.

接触层4a和4b的总几何面积F₄则是两个面积F_4A和F_4B的总和。然后，主表面3a和3b的总几何面积F₃是几何面积F_3A和F_3B的总和。总几何面积F₄与F₃之间的总商数Q在此基本上低于1且基本上高于0。因此，以下适用：

Q＝F₄/F₃＝(F_4A+F_4B)/(F_3A+F_3B)并且0<Q<1.

通过接触层4a和4b能够将PTC加热元件1集成到电源电路中，并且被提供电压。相应地，然后将接触层4a和4b分别分配给正极和负极。PTC热敏电阻2沿厚度方向DR布置在两个导电接触层4a与4b之间，使得PTC加热元件1在供电电路中形成电容器。

两个接触层4a和4b(特别参见图3和图4)分别具有梳状结构6a和6b。在该示例性实施例中，梳状结构6a和6b被设计为使得各个商数Q_A和Q_B等于0.5。因此，总商数Q也等于0.5。然而，能够想到的是，两个商数Q_A和Q_B彼此相差和/或相差0.5。还能够想到的是，总商数Q相差0.5。各个梳状结构6a或6b分别包括多个接触带7a和7b，这些接触带分别在一侧相接。接触带7a和7b相互平行地布置并且彼此间隔开。将两个接触层4a和4b或两个梳状结构6a和6b以这样的方式施加到主表面3a和3b上，使得接触带7a和接触带7b(尤其参见图2)彼此平行地定向。此外，接触带7a和接触带7b在厚度方向DR上不重叠。为此，两个梳状结构6a和6b被布置成围绕PTC热敏电阻1的中心轴线MA相对于彼此旋转180°。中心轴线MA平行于厚度方向DR定向，并且穿过各个PTC热敏电阻2的中心。

在这里所示的PTC加热元件1与具有相同PTC热敏电阻的常规PTC加热元件相比，接触层4a和4b的各自几何面积F_4A或F_4B减小，从而也减小了PTC加热元件1的电容。有利地，与常规PTC加热元件相比，由此能够减小PTC加热元件1中与电容有关的电流，并且因此也减少了电压峰值。在总商数Q的数值范围为0.1至0.8，并且特别是在总商数Q的数值范围为0.2至0.7，这种效果已经很明显。在此仅作为示例选择等于0.5的总商数Q。接触层4a和4b也均匀地分布在各个主表面3a和3b上，从而显着提高了PTC加热元件1的加热性能。在总商数Q的数值范围为0.3至0.5时，这种效果特别明显。在此仅作为示例选择等于0.5的总商数Q。

图5示出了另一实施例中的PTC加热元件1的主表面3a或3b的平面图。图6示出了该PTC加热元件1沿图5所示的截面B-B的剖视图。在此，梳状结构6a和6b的接触带7a和7b在两侧相接，这与图1至图4不同。梳状结构6a和6b分别邻近两个相邻的侧表面5施加。梳状结构6a和6b是相同的，并且被布置成围绕PTC热敏电阻2的中心轴线MA相对于彼此旋转180°(特别参见图6)。结果，在PTC热敏电阻2的内部区域8中，接触带7a和7b或接触层4a和4b分别在厚度方向DR上不重叠。

图7示出了另一实施例中的PTC加热元件1的主表面3a或3b的平面图。图8示出了该PTC加热元件1沿图7所示的截面C-C的剖视图。在此，各个梳状结构6a或6b与图5和图6中的各个梳状结构6a或6b相同，但是在主表面3a或3b上不同地布置。在此，梳状结构6a和6b分别邻近于侧表面5之一施加。两个梳状结构6a和6b被布置成围绕PTC热敏电阻2的中心轴线MA相对于彼此旋转180°。结果，在PTC热敏电阻2的内部区域8中，接触带7a和7b或接触层4a和4b在厚度方向DR上不重叠。

图9示出了另一实施例中的PTC加热元件1的主表面3a或3b的平面图。图10示出了该PTC加热元件1沿图9所示的截面D-D的剖视图。在此，两个梳状结构6a和6b彼此相同，其中，接触带7a或7b之一具有比其他接触带7a或7b更大的宽度。在此，梳状结构6a和6b分别被施加在中间。两个梳状结构6a和6b被布置成围绕PTC热敏电阻2的中心轴线MA相对于彼此旋转180°。结果，在PTC热敏电阻2的内部区域8中，接触带7a和7b或接触层4a和4b在厚度方向DR上不重叠。

图5至图10中的PTC加热元件1的商数Q_A和Q_B分别等于0.5。总商数Q也等于0.5。利用这里所示的PTC加热元件1，能够实现与图1至图4的PTC加热元件1相同的优点。

图11示出了另一实施例中的PTC加热元件1的视图。在图11中，PTC热敏电阻2被示为透明的，由此可见两个接触层4a和4b。图12示出了该PTC加热元件1沿图11所示的截面E-E的剖视图。在该实施例中，各个接触层4a或4b具有梳状结构6a或6b，其类似于图1至图4中的各个梳状结构6a或6b。但是，商数Q_A和Q_B以及总商数Q在这里分别等于0.3。在此，两个梳状结构6a和6b布置为使得各个接触带7a和7b在厚度方向DR上不重叠。为此目的，两个梳状结构6a和6b被布置成围绕PTC热敏电阻2的中心轴线MA相对于彼此旋转180°。

在此，两个接触层4a与4b相对于彼此之间的距离D_AB大于PTC热敏电阻2的厚度D_PTC。结果，电子的有效电流路径增加，并且PTC加热元件1的电容减小。因此，能够减小与电容有关的电流，并且因此能够减小电压峰值。因此，在不显着改变其使用特性的情况下，也能够减小PTC热敏电阻2的厚度D_PTC。特别是在总商数Q的数值为0.2至0.5的范围内能够实现这种效果。在此仅作为示例选择等于0.3的总商数Q。

Claims

1.一种用于车辆的PTC加热模块的PTC加热元件(1)，

-其中，所述PTC加热元件(1)包括具有两个主表面(3a、3b)的PTC热敏电阻(2)，所述两个主表面在所述PTC热敏电阻(2)的厚度方向(DR)上彼此相对定位并且彼此间隔开，

-其中，所述PTC加热元件(1)包括两个导电接触层(4a、4b)，所述两个导电接触层分别施加到所述PTC热敏电阻(2)的主表面(3a、3b)上，

其特征在于，

所述接触层(4a、4b)的总几何面积(F4)与所述主表面(3a、3b)的总几何面积(F3)之间的总商数(Q)低于1并且高于0，并且

在所述PTC热敏电阻(2)的至少一些内部区域(8)中，所述两个接触层(4a、4b)之间的距离(D_AB)大于所述PTC热敏电阻(2)的厚度(D_PTC)。

2.根据权利要求1所述的PTC加热元件，其特征在于，

所述总商数(Q)为0.1至0.8。

3.根据权利要求1或2所述的PTC加热元件，其特征在于，

在所述两个接触层(4a、4b)中，各个接触层(4a、4b)的几何面积(F_4A、F_4B)与分配给它们的各个主表面(3a、3b)的几何面积(F_3A、F_3B)之间的商数(Q_A、Q_B)彼此不同。

4.根据权利要求1或2所述的PTC加热元件，其特征在于，

在所述PTC热敏电阻(2)的至少一些内部区域(8)中，所述两个接触层(4a、4b)在所述PTC热敏电阻(2)的厚度方向(DR)上不重叠。

5.根据权利要求1或2所述的PTC加热元件，其特征在于，

各个接触层(4a、4b)具有梳状结构(6a、6b)，所述梳状结构包括多个接触带(7a、7b)，所述多个接触带相互间隔开并且彼此平行地布置，所述多个接触带在一侧或两侧上相接。

6.根据权利要求5所述的PTC加热元件，其特征在于，

-各个梳状结构(6a、6b)的接触带(7a、7b)彼此不等距地布置，和/或

-各个梳状结构(6a、6b)的接触带(7a、7b)具有彼此不同的宽度和/或长度，和/或

-各个接触带(7a、7b)的宽度小于或大于其与相邻的接触带(7a、7b)中的至少一个的距离。

7.根据权利要求5所述的PTC加热元件，其特征在于，

-所述两个接触层(4a、4b)分别具有梳状结构(6a、6b)，其中，将各个梳状结构(6a、6b)以所述两个梳状结构(6a、6b)的各个接触带(7a、7b)彼此平行的方式施加到所述PTC热敏电阻(2)的主表面(3a、3b)上，以及

-一个梳状结构(6a)的至少一些接触带(7a)没有位于另一梳状结构(6b)的接触带(7b)对面。

8.根据权利要求1或2所述的PTC加热元件，其特征在于，

各个接触层(4a、4b)具有螺旋结构。

9.根据权利要求1所述的PTC加热元件，其特征在于，

所述总商数(Q)为0.05至0.85。

10.根据权利要求1所述的PTC加热元件，其特征在于，

所述总商数(Q)为0.2至0.7。

11.根据权利要求1所述的PTC加热元件，其特征在于，

所述总商数(Q)为0.2至0.5。

12.根据权利要求1所述的PTC加热元件，其特征在于，

所述总商数(Q)为0.3至0.5。

13.一种用于车辆的PTC加热模块，其具有至少一个根据权利要求1至12中任一项所述的PTC加热元件(1)，其中，各个PTC加热元件(1)的一个接触层(4a)以导电方式连接到正极触点，并且各个PTC加热元件(1)的另一个接触层(4b)以导电方式连接到负极触点。