CN117722773A - 用于确定流体的输出温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定流体的输出温度的方法。具体地，本发明涉及一种用于确定流体在流过PTC加热器(1)之后的输出温度(TOUT)的方法(7)，其中PTC加热器(1)具有PTC加热元件(2)。在所述方法中：确定PTC加热元件(2)的电流(I)、PTC加热元件(2)的供给电压(U)以及供给电压(U)的占空比(PWM)，并且，基于所述电流(I)、所述供给电压(U)和所述占空比(PWM)计算流体的输出温度(TOUT)。本发明还涉及一种用于实施所述方法(7)的PTC加热器(1)。

Description

用于确定流体的输出温度的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于确定流体在流过利用PTC加热元件加热流体的PTC加热器之后的输出温度的方法。本发明还涉及用于执行该方法的包括PTC加热元件的加热器。
背景技术
PTC加热器(PTC：正温度系数)包括至少一个由PTC陶瓷制成的PTC加热元件和两个电触点。PTC加热器可用于加热车辆空调系统中的流体，例如空气。为了产生电加热功率，供给电压经由电触点施加到PTC加热元件，从而在PTC加热元件中产生电流。通过调节供给电压(例如通过脉宽调制)，可以调整PTC加热元件以及对应的PTC加热器的电加热功率。由此，根据所需的流体输出温度，来调节电加热功率。为此目的，必须确定流体的输出温度，并且，通常通过温度传感器来测量流体的输出温度。不利的是，它可能很复杂并且成本密集。
EP 3 672 360 A1描述了一种用于根据PTC加热元件的当前温度来控制PTC加热器的方法。这里，特别是，应当防止PTC加热器过热。
因此，本发明的任务是为用于确定流体的输出温度的方法提供一种改进的或至少替代的实施例，其中克服了所描述的缺点。本发明的任务还在于，提供一种用于执行该方法的对应的PTC加热器。
发明内容
根据本发明，该任务通过独立权利要求的目的来解决。有利的实施例是从属权利要求的主题。
本发明基于在没有任何温度测量的情况下确定流体的输出温度的总体构思。特别是，输出温度仅通过在控制单元中可用的信息来确定，例如供给电压、电流、供给电压的占空比和预定常量。
根据本发明的方法被设计或提供用于确定流体在流过加热流体的PTC加热器之后的输出温度。PTC加热器包含至少一个PTC加热元件。在该方法中，确定PTC加热器的电流、PTC加热器的供给电压以及供给电压的占空比。然后，基于所述电流、所述供给电压和所述供给电压的占空比来计算流体的输出温度。
可以在PTC加热元件处测量所述电流和所述供给电压。供给电压是用占空比进行脉宽调制的恒定DC电压。供给电压的占空比由控制单元指定，并且可以从控制单元读出。控制单元可以是PTC加热器的部件。PTC加热元件在PTC加热器中接触，使得供给电压可以施加到PTC加热元件。PTC加热元件由PTC陶瓷形成，并且是PTC热敏电阻。PTC加热元件的电阻取决于其温度，反之亦然。因此，PTC加热元件表现出与温度相关的电阻，并且可以通过温度-电阻特性曲线来表征。PTC加热器还可以具有若干个PTC加热元件。
在该方法中，基于电流、供给电压和供给电压的占空比来计算流体的输出温度。特别是，流体的输出温度可以独立于流体的在PTC加热器的输入处(即在流过PTC加热器之前)的主输入温度来计算。流体的输出温度可以在不测量PTC加热器和/或流体中的主要温度的情况下进行计算。可以仅基于供给电压、供给电压的占空比和电流加上PTC加热器的预定特性常数，计算流体的输出温度。PTC加热器的特性常数是恒定的，并且可以在初步测试中确定(即计算)。
可以仅根据PTC加热元件的电加热功率、PTC加热元件处的主要温度和PTC加热器的特性常数，来计算流体的输出温度。这里，流体的输出温度TOUT可以被计算为PTC加热元件处的主要温度TCERAMIC与PTC加热器的电加热功率PEL除以PTC加热器的特性常数K·S的商的二倍的差。换句话说，以下等式适用：
特性常数K·S是恒定的，并且是面积S和系数K的乘积。面积S表示PTC加热器的由流体流过的传热表面，系数K表示由PTC加热元件传输至流体的每表面每开尔文的电加热功率。因此，面积S以m2为单位，并且系数K以W/Km2为单位。因此，特性常数K·S以W/K为单位给出。电加热功率PEL以W为单位，温度以℃为单位。
以下推理用于导出上面给出的等式。在PTC加热器中，热功率Q从PTC加热器传递到流体。在PTC加热器的稳定状态下，热功率Q与PTC加热器的电加热功率PEL相同。换句话说，在PTC加热器的稳定状态下，PTC加热器产生的电加热功率PEL作为热功率Q完全传递给流体。对于热功率Q以及同样对于电加热功率PEL，一总体上适用以下等式：
Q＝PEL＝K.S.ΔT.
当流体流入到PTC加热器中时，流体具有入口温度TIN，而当流体流出PTC加热器时，流体具有出口温度TOUT。假设PTC加热元件在施加电加热功率PEL期间改变其温度，则在施加电加热功率PEL之前，PTC加热元件具有温度TIN,PTC，并且在施加电加热功率PEL之后，PTC加热元件具有温度TOUT,PTC。由此，以下等式适用于温度梯度ΔT：
在PTC加热器的稳定状态下，可以假设PTC加热元件的温度TIN,PTC与流体的输入温度TIN相同，并且温度TOUT,PTC与在PTC加热元件处的主要温度TCERAMIC相同。然后，温度梯度ΔT可简化如下：
然后，热功率Q或电加热功率PEL由以下等式给出：
该等式导出上面针对流体的输出温度TOUT已经给出的等式：
PTC加热器的电加热功率PEL由此可以被计算为供给电压U、供给电压U的占空比PWM和电流I的乘积。换句话说，应用以下等式：
PEL＝U·I·PWM.
如上所述，可以在PTC加热器(即PTC加热元件)处测量电流I和供给电压U，并且可以从控制单元读出供给电压U的占空比PWM。占空比PWM可以在0％到100％之间变化。当PWM＝100％时，供给电压在100％的时间内施加到PTC加热元件；当PWM＝0％时，供给电压在0％的时间内施加到PTC加热元件。因此，当PWM＝100％时，PTC加热器产生100％的最大加热功率，而当PWM＝0％时，PTC加热器产生0％的最小(即零)加热功率。供给电压U以V为单位，电流I以A为单位。电加热功率PEL以W为单位。
如上所述，PTC加热器的特性常数K·S可以作为面积S和系数K的乘积给出。这里，面积S是PTC加热器的由流体流过并且以传热方式与流体接触的表面。换句话说，面积S是PTC加热器的如下表面，PTC加热器可通过该表面将热量传递至流体。系数K表示PTC加热器向流体传输的、即提供的每表面每开尔文的电加热功率。面积S和系数K是恒定的，因此特性常数K·S是恒定的。面积S和系数K取决于PTC加热器的几何形状，并且对于不同的PTC加热器可能不同。面积S和系数K可以通过对相应的PTC加热器进行初步测试来确定(即计算)。
PTC加热元件的温度TCERAMIC，即，在PTC加热元件处的主要温度TCERAMIC，可以以不同的方式确定或计算。在第一替代方案中，可以根据供给电压U和电流I计算PTC加热元件的电阻RCERAMIC。应用以下等式：
因此，电阻RCERAMIC以Ω为单位来具体说明。然后，取决于供给电压U和PTC加热元件的电阻RCERAMIC(即作为供给电压U和PTC加热元件的电阻RCERAMIC的函数)，可以从预定的矩阵或表格读出PTC加热元件的温度TCERAMIC，即，在PTC加热元件处的主要温度TCERAMIC。
温度TCERAMIC可以从预定的矩阵或表格中读出。该矩阵可以包含彼此关联的变量，例如供给电压U、电阻RCERAMIC、温度TCERAMIC和供给电压U的占空比PWM的频率f。因此，该矩阵可以采用{f,U,RCERAMIC,TCERAMIC}的形式。如果频率f是固定的，则矩阵可以采用{U,RCERAMIC,TCERAMIC}的形式，或者如果供给电压U是固定的，则矩阵可以采用{f,RCERAMIC,TCERAMIC}的形式，或者如果频率f和供给电压U是固定的，则矩阵可以采用{RCERAMIC,TCERAMIC}的形式。矩阵可以通过初步测试来确定(即计算)，其中对于PTC加热元件的偏离的可能的供给电压U，根据已知的参考工作，计算(即确定)和/或读出对应的电阻RCERAMIC和对应的温度TCERAMIC。尤其是，该矩阵可以在PTC加热元件的表征期间确定。为此目的，可以测量流体的输出温度TOUT，以将电阻RCERAMIC与PTC加热元件的温度TCERAMIC按照相反的等式联系起来：
在该方法中，可以将流体的所计算出的输出温度TOUT输出给用户。替代地或附加地，可以将流体的所计算出的输出温度TOUT与预定的极限温度TTHRESHOLD进行比较。当超过极限温度TTHRESHOLD时，可以减小电加热功率PEL并且可以继续该方法。当不超过极限温度TTHRESHOLD时，可以在不降低电加热功率PEL的情况下继续该方法。以这种方式，可以防止流体中的温度高于极限温度TTHRESHOLD并因此防止流体过热。
在该方法中，相关量的上述计算/确定可以在控制单元中执行，所述相关量诸如是供给电压U和/或供给电压U的占空比PWM和/或电流I和/或电加热功率PEL和/或电阻RCERAMIC和/或在PTC加热元件处的主要温度TCERAMIC和/或流体的输出温度TOUT。上述用于计算/确定的量诸如是特性常数K·S和/或矩阵{f,U,RCERAMIC,TCERAMIC}和/或极限温度TTHRESHOLD，其可以存储或预存储在控制单元中，并根据需要使用。可以在本PTC加热器的初步测试中确定(即，计算)特性常数K·S和/或矩阵{f,U,RCERAMIC,TCERAMIC}。已知的参考工作也可用于确定矩阵{f,U,RCERAMIC,TCERAMIC}。特别是，控制单元可以是PTC加热器的一体部分。
本发明还涉及一种具有至少一个PTC加热元件的PTC加热器。PTC加热器可以由流体流过，并且被提供或设计成通过PTC加热元件将流体加热到输出温度TOUT。由此，将PTC加热器提供或设计为执行上述方法。为了执行该方法，PTC加热器可以特别地包括上述控制单元。为了避免重复，在此参考上述解释。
根据从属权利要求、附图以及基于附图的附图描述，本发明的其他重要特征和优点是显而易见的。
应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和将在下文中解释的那些特征不仅可以以分别指示的组合使用，而且可以以其他组合或单独使用。
附图说明
本发明的优选实施例在附图中示出并且将在下面的描述中更详细地解释，其中相同的附图标记指代相同或相似或功能相同的部件。
每个图示意性地示出：
图1是根据本发明的具有PTC加热元件的PTC加热器的截面图；
图2是根据本发明的方法的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明的PTC加热器1的截面图。PTC加热器1包括由PTC陶瓷制成的PTC加热元件2、两个导电接触板3a和3b、两个介电绝缘板4a和4b、由诸如金属的导热材料制成的壳体5以及由诸如金属的导热材料制成的两个肋6a、6b。PTC加热元件2布置在接触板3a和3b之间并且与接触板3a和3b导电接触。绝缘板4a和4b背向PTC加热元件2布置在接触板3a和3b上。壳体5围封PTC加热元件2、接触板3a和3b以及绝缘板4a和4b。绝缘板4a和4b布置在壳体5与接触板3a和3b之间，并且使接触板3a和3b与壳体5绝缘。肋6a和6b布置在壳体5的外侧上。肋6a和6b以传热方式连接到壳体5，并且壳体5经由绝缘板4a、4b以及接触板3a、3b以传热方式连接到PTC加热元件2。PTC加热元件2、接触板3a和3b、绝缘板4a和4b、壳体5以及肋6a和6b适当地彼此固定。PTC加热器1还包含用于控制PTC加热元件2的控制单元，但是这里未示出该控制单元。
PTC加热器1的控制单元可以经由接触板3a和3b向PTC加热元件2施加供给电压U。供给电压U是直流(DC)电压，并且可以利用可变占空比PWM进行脉宽调制。然后，电流I在PTC加热元件2中流动，并且PTC加热元件2产生电加热功率PEL。PTC加热元件2取决于所施加的供给电压U(即，供给电压U的占空比PWM)加热到温度TCERAMIC。PTC加热元件2由于其PTC特性而具有取决于温度TCERAMIC的电阻RCERAMIC。流体可以在肋6a和6b周围流动，并且可以被PTC加热器1(即PTC加热元件2)从输入温度加热到输出温度TOUT。PTC加热器1的特征在于面积S和系数K。面积S是PTC加热器1的由流体流过的传热表面，系数K是由PTC加热器2传输到流体的每表面每开尔文的电加热功率。对于给定的PTC加热器1，面积S和系数K是恒定的。
图2示出了根据本发明的用于确定流体在流过PTC加热器1之后的输出温度TOUT的方法7的示意图。该方法7例如经由PTC加热器1的控制单元由PTC加热器1来执行。
在方法7中，在步骤8中，确定供给电压U、电流I和供给电压U的占空比PWM。可以在PTC加热元件2处测量供给电压U和电流I。占空比PWM是PTC加热器1的受控变量，并且可以从控制单元中读出。
然后，在步骤9中，使用以下等式计算PTC加热器1的电加热功率PEL:
PEL＝U·I·PWM·
然后，确定在PTC加热元件2处的主要温度TCERAMIC。从而，在步骤10中，利用以下等式计算PTC加热元件2的电阻RCERAMIC：
随后，在步骤11中，根据先前测量的供给电压U，从预定矩阵{U,RCERAMIC,TCERAMIC}读出PTC加热元件2的温度TCERAMIC。矩阵{U,RCERAMIC,TCERAMIC}最初的形式为{f,U,RCERAMIC,TCERAMIC}，其中供给电压U的占空比PWM的频率f是恒定的。矩阵{U,RCERAMIC,TCERAMIC}，即{f,U,RCERAMIC,TCERAMIC}可以在初步测试中确定(即，计算)，并且/或者从已知的参考工作中读出，并且可以存储在PTC加热器1的控制单元中。
在确定PTC加热元件2的温度TCERAMIC之后，在步骤13中，使用以下等式计算流体的输出温度TOUT：
这里，使用PTC加热器1的恒定的特性常数K·S。特性常数K·S由恒定的面积S和恒定的系数K给出。面积S是PTC加热器1的由流体流过的传热表面。系数K是由PTC加热元件2传输到流体的每表面每开尔文的电加热功率。面积S和系数K可以通过对相应的PTC加热器1进行初步测试来确定，并且存储在PTC加热器1的控制单元中。
然后，在步骤14中将所计算出的流体的输出温度TOUT输出给用户，并且在步骤15中将所计算出的流体的输出温度TOUT与极限温度TTHRESHOLD进行比较。如果输出温度TOUT大于极限温度TTHRESHOLD，则减小加热功率PEL。为此目的，可以将供给电压U的占空比PWM减小直到为零。然后，方法7继续步骤8。如果输出温度TOUT低于极限温度TTHRESHOLD，则方法7继续步骤8，而不执行步骤16。

Claims (10)

1.一种用于确定流体在流过PTC加热器(1)之后的输出温度(TOUT)的方法(7)，其中，所述PTC加热器(1)用PTC加热元件(2)加热所述流体，
其中，在所述方法中：
-确定所述PTC加热元件(2)的电流(I)、所述PTC加热元件(2)的供给电压(U)以及所述供给电压(U)的占空比(PWM)，以及
-基于所述电流(I)、所述供给电压(U)和所述占空比(PWM)，来计算所述流体的输出温度(TOUT)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于
-所述流体的输出温度(TOUT)的计算与所述流体在流过PTC加热器(1)之前的输入温度无关，并且/或者
-在不测量所述PTC加热器(1)中的和/或所述流体中的主要温度的情况下，计算所述流体的输出温度(TOUT)，并且/或者
-仅仅基于所述供给电压(U)、所述供给电压(U)的占空比(PWM)和所述电流(I)加上所述PTC加热器(1)的预定特性常数(K·S)，来计算所述流体的输出温度(TOUT)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
仅仅根据所述PTC加热元件(2)的电加热功率(PEL)、所述PTC加热元件(2)处的主要温度(TCERAMIC)和所述PTC加热器(1)的特性常数(K·S)，来计算所述流体的输出温度(TOUT)。
4.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于
所述PTC加热元件(2)的电加热功率(PEL)被计算为所述供给电压(U)、所述供给电压(U)的占空比(PWM)和所述电流(I)的乘积。
5.根据权利要求3或4所述的方法，
其特征在于
当计算所述流体的输出温度(TOUT)时，根据所述供给电压(U)和所述电流(I)来计算所述PTC加热元件(2)的电阻(RCERAMIC)。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的方法，
其特征在于
当计算所述流体的输出温度(TOUT)时，取决于所述供给电压(U)、所述供给电压(U)的占空比(PWM)的频率(f)以及所述PTC加热元件(2)的计算出的电阻(RCERAMIC)从预定矩阵({f,U,RCERAMIC,TCERAMIC})中读出所述PTC加热元件(2)处的主要温度(TCERAMIC)。
7.根据权利要求3至6中的任一项所述的方法，
其特征在于
所述PTC加热器(1)的特性常数(K·S)是所述PTC加热器(1)的由流体流过的传热面积(S)与系数(K)的乘积，其中，所述系数(K)表示由所述PTC加热元件(2)传输至流体的每表面每开尔文的电加热功率。
8.根据权利要求3至7中的任一项所述的方法，
其特征在于
所述流体的输出温度(TOUT)被计算为所述PTC加热元件(2)处的主要温度(TCERAMIC)与所述PTC加热器(1)的电加热功率(PEL)除以所述PTC加热器(1)的特性常数(K·S)的商的二倍的差。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
-将所述流体的输出温度(TOUT)与预定极限温度(TTHRESHOLD)进行比较，其中，当超过所述极限温度(TTHRESHOLD)时，减小所述电加热功率(PEL)并且继续所述方法(7)，并且其中，当不超过所述极限温度(TTHRESHOLD)时，继续所述方法(7)而不减小所述电加热功率(PEL)，并且/或者
-将所述流体的输出温度(TOUT)输出给用户。
10.一种具有PTC加热元件(2)的PTC加热器(1)，其中，所述PTC加热器(1)能够被流体流过，并且所述PTC加热器(1)被设置成用于将流体加热至输出温度(TOUT)，其特征在于，所述PTC加热器(1)被设置成用于执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法(7)。
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