DE10109734A1 - Elektroheizung zur Erwärmung eines Gegenstandes oder Mediums - Google Patents

Elektroheizung zur Erwärmung eines Gegenstandes oder Mediums

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Abstract

Die Elektroheizung zur Erwärmung eines Gegenstandes oder Mediums, insbesondere zur Erwärmung der in den Innenraum eines Fahrzeuges einzuleitenden Luft, ist versehen mit mindestens einem durch ein Steuersignal ansteuerbaren ersten Transistor (30), der in Reihe mit mindestens einem ersten elektrischen Heizelement (16) geschaltet ist, wobei der Widerstand des mindestens einen Transistors (30) durch das Steuersignal zur Beeinflussung des durch die Reihenschaltung fließenden Stroms einstellbar ist, einer Einrichtung zur Ermittlung und/oder Abschätzung der Verlustleistung des mindestens einen ersten Transistors (30) und einer Steuereinheit (40) zur Erzeugung des Steuersignals für den mindestens einen ersten Transistor (30), wobei die Steuereinheit (40) dann, wenn die Einrichtung zur Ermittlung und/oder Abschätzung der Verlustleistung des mindestens einen ersten Transistors (30) das Erreichen eines vorgebbaren maximal zulässigen Verlustleistungsgrenzwerts (50) erkennt, das Steuersignal für den mindestens einen ersten Transistor innerhalb einer variablen Zeitspanne (52) derart verändert, dass der Arbeitspunkt des mindestens einen ersten Transistors (30) den Bereich (44) von dessen Verlustleistungsmaximum bis zum Unterschreiten des Verlustleistungsgrenzwerts (50) durchfährt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektroheizung zur Erwärmung eines Gegenstandes oder Mediums, bei dem es sich insbesondere um die in den Innenraum eines Fahrzeuges einzuleitende Luft handelt.
Auf Grund gestiegener Komfortansprüche an Fahrzeugheizungsanlagen werden in zunehmendem Maße Zusatz-Elektroheizungen eingesetzt. Diese Elektrohei­ zungen werden in den Phasen zugeschaltet, in denen die vom Kühlwasser betriebenen Wärmetauscher gelieferte Wärmemenge noch nicht voll zur Verfü­ gung steht. Dies ist beispielsweise nach einem "Kaltstart" der Fall. Um den Innenraum des Fahrzeuges schneller auf die gewünschte Temperatur aufhei­ zen zu können, wird daher in der Anfangsphase nach dem "Kaltstart" eine Zusatz-Elektroheizung eingeschaltet. Derartige Zusatzheizungen werden aber auch bei Fahrzeugen benötigt, deren Verbrennungsmotoren eine lediglich geringe Erwärmung aufweisen (Stichwort: 3-Liter-Auto), was unter dem Gesichtspunkt der Treibstoffeinsparung wünschenswert, im Hinblick auf die Erwärmung des Fahrzeuginnenraums jedoch in gewisser Weise nachteilig ist.
Elektroheizungen für Kraftfahrzeuge sind grundsätzlich bekannt. Diese Elektroheizungen weisen mehrere Gruppen von zumeist als PTC-Elemente ausgeführten Widerstands-Heizelementen auf, die gruppenweise ein- oder ausschaltbar sind. Wie viele dieser Gruppen eingeschaltet sind, hängt in erster Linie von der noch zur Verfügung stehenden Leistung des Generators des Fahrzeuges ab. Eine weitere Randbedingung ist die benötigte Wärmemenge.
Das Schalten einzelner Heizelementgruppen (nachfolgend auch Heizstränge genannt) verursacht Störungen im Bordnetz und insbesondere nicht unerheb­ liche Stromschwankungen, was unerwünscht ist.
Es ist daher bereits eine Elektroheizung bekannt (DE 198 45 401 A1), deren Heizelemente in mehrere Einzelstränge unterteilt sind, von denen einer bezüg­ lich der abzugebenden Wärmeleistung über einen Leistungstransistor mit gesteuertem Eingang einstellbar ist, während die übrigen Einzelstränge ledig­ lich ein- oder ausschaltbar sind. Bevor bei dieser Anordnung ein einschaltbarer Heizstrang eingeschaltet wird, was durch Übersteuerung eines diesem Heiz­ strang zugeordneten Schalttransistors erfolgt, wird zunächst der bezüglich seiner Wärmeleistung einstellbare Heizstrang hochgefahren und erst danach ein schaltbarer Heizstrang eingeschaltet, sofern die Wärmeabgabe des steuer­ baren Heizstrangs noch nicht ausreichend ist und vor allem ausreichend Generatorleistung zur Verfügung steht. Durch dieses Verfahren können Strom- und Spannungsschwankungen im Bordnetz reduziert werden.
Der ansteuerbare Heizstrang der bekannten Elektroheizung wird mit einem PWM-Steuersignal beaufschlagt. Unter EMV-Gesichtspunkten vorteilhafter wäre es, wenn der Leistungstransistor linear angesteuert würde. Bei einer solchen Ansteuerungsart bestehen jedoch die Gefahr der thermischen Zerstörung des Leistungstransistors, wenn dessen Arbeitspunkt gerade im Bereich maximaler Verlustleistung liegt, und der Nachteil Roher Verlustleistung des Transistors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Elektroheizung zu schaffen, die linear ansteuerbar ist, ohne dass die Gefahr der thermischen Zerstörung eines die Wärmeleistung steuernden Leistungstransistors gegeben ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Elektroheizung zur Erwärmung eines Gegenstandes oder Mediums, insbesondere zur Erwärmung der in den Innenraum eines Fahrzeuges einzuleitenden Luft vorgeschlagen, die versehen ist mit
  • - mindestens einem durch ein Steuersignal ansteuerbaren ersten Tran­ sistor, der in Reihe mit mindestens einem ersten elektrischen Heizele­ ment geschaltet ist, wobei der Widerstand des mindestens einen Transistors durch das Steuersignal zur Beeinflussung des durch die Reihen­ schaltung fließenden Stroms einstellbar ist,
  • - einer Einrichtung zur Ermittlung und/oder Abschätzung der Verlust­ leistung des mindestens einen ersten Transistors und
  • - einer Steuereinheit zur Erzeugung des Steuersignals für den mindestens einen ersten Transistor,
  • - wobei die Steuereinheit dann, wenn die Einrichtung zur Ermittlung und/oder Abschätzung der Verlustleistung des mindestens einen ersten Transistors das Erreichen eines vorgebbaren maximal zulässigen Verlust­ leistungsgrenzwerts erkennt, das Steuersignal für den mindestens einen ersten Transistor innerhalb einer variablen Zeitspanne derart verändert, dass der Arbeitspunkt des mindestens einen ersten Transistors den Bereich von dessen Verlustleistungsmaximum bis zum Erreichen oder Unterschreiten des Verlustleistungsgrenzwerts durchfährt.
Erfindungsgemäß wird also bei der Elektroheizung überprüft, in welchem Zustand sich der Transistor, über den die Wärmeleistung einstellbar ist, befin­ det. Hierzu bedient man sich einer Einrichtung zur Ermittlung und/oder Abschätzung der momentanen Verlustleistung des Leistungstransistors (nachfolgend auch erster Transistor genannt). Sobald durch die ggf. mess­ technische oder rechnerische Ermittlung bzw. Abschätzung der momentanen Verlustleistung erkannt wird, dass diese höher ist als ein vorgebbarer Grenz­ wert, steuert eine Steuereinheit den Leistungstransistor derart an, dass sein Arbeitspunkt den Bereich maximaler Verlustleistung innerhalb einer variabel einstellbaren Zeit durchfährt. Hierbei macht man sich zu Nutze, dass die Ver­ lustleistungskennlinie eines Transistors im wesentlichen parabelförmig ist, wo­ bei das Maximum bei etwa 50% der Ansteuerung des Transistors liegt. Wenn man sich also ausgehend von einer geringen Ansteuerung des Transistors dem vorgegebenen Verlustleistungsgrenzwert nähert, so wird der Transistor so angesteuert, dass er mehr oder weniger schnell den Bereich seines Verlust­ leistungsmaximums durchfährt, so dass sein Arbeitspunkt auf dem abfallenden Ast der Verlustleistungskennlinie liegt. Die damit verbundene höhere Ansteuerung des Transistors bewirkt, dass nun durch das mindestens eine mit dem Transistor in Reihe geschaltete Heizelement höher bestromt wird und damit eine höhere Wärmemenge abgibt. Sollte diese Wärmemenge nun zu groß sein, so wird der Transistor derart angesteuert, dass sein Arbeitspunkt ausgehend von Werten größerer Ansteuerung zu Werten geringerer Ansteue­ rung wiederum durchfahren wird. Auf diese Weise stellt sich bei wiederholter Anwendung dieses Ansteuerungsmusters am Transistor eine mittlere Verlust­ leistung ein, die tolerabel ist und nicht zur Zerstörung des Transistors führt.
Die Entscheidung, ob ausgehend von geringen Ansteuerungen des Transistors bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwertes für die Verlustleistung der Bereich maximaler Verlustleistung durchfahren wird oder nicht, hängt insbe­ sondere von der in diesem Augenblick zur Verfügung stehenden Generator­ leistung ab. Denn sollte der Generator nicht diejenige Leistung zur Verfügung stellen können, die auf Grund der höheren Ansteuerung nach dem Durchfahren der maximalen Verlustleistung des Transistors benötigt wird, so verbleibt der Transistor in dem Arbeitspunkt, den er in demjenigen Augenblick inne hat, in dem das Erreichen des Verlustleistungsgrenzwertes detektiert bzw. abge­ schätzt wird.
Die Geschwindigkeit, mit der der Bereich maximaler Verlustleistung des ersten oder Leistungstransistors durchfahren wird, wird zweckmäßigerweise nach oben hin dadurch begrenzt, dass die Veränderung des den Transistor durch­ fließenden Stromes einen vorgebbaren Maximalgrenzwert nicht übersteigt. Damit werden sich möglicherweise negativ auf das Bordnetz auswirkende Stromschwankungen vermieden.
Sofern der steuerbare Heizstrang der erfindungsgemäßen Elektroheizung in einem Zustand betrieben wird, bei dem der Arbeitspunkt des Leistungstran­ sistors im Bereich maximaler Verlustleistung liegt, wird die Anzahl und die Häufigkeit, mit der der Arbeitspunkt des Transistors den Bereich maximaler Verlustleistung durchfährt, davon abhängig gemacht, dass der Heizstrang im Mittel die gewünschte Wärmeleistung abgibt. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass unerwünschte Schwingungen nicht auftreten. Das wechselweise Durch­ fahren des Bereichs maximaler Verlustleistung sollte daher Hysterese behaftet sein oder gedämpft werden. Unter diesen Umständen kann es von Vorteil sein, dass der Transistor zur Vermeidung eines derartigen Schwingungsverhaltens bei größerer Ansteuerung betrieben wird, obwohl damit das Heizelement eine größere Wärmeleistung als erforderlich abgibt.
Zweckmäßigerweise wird der Leistungstransistor selbst zur Erwärmung des Gegenstandes bzw. des Mediums genutzt. Er ist zu diesem Zweck vorzugs­ weise ähnlich den Heizelementen zwischen Kühllamellen der Elektroheizung angeordnet.
Die Ermittlung bzw. Abschätzung der aktuellen Verlustleistung des Transistors erfolgt beispielsweise durch Messung des Spannungsabfalls über dem Tran­ sistor und/oder des den Transistor durchfließenden Stroms und/oder durch Ermittlung des augenblicklichen von dem Transistor repräsentierten Wider­ standes. Da sich die Verlustleistung eines Transistors unter anderem auch in seiner Betriebstemperatur wiederspiegelt, ist es zweckmäßig, diese Tempera­ tur des Transistors messtechnisch zu erfassen, um daraus dann zu schließen, dass der Transistor ab einer vorgebbaren Betriebstemperatur eine nicht mehr tolerable Verlustleistung aufweist. Dem Verlustleistungsgrenzwert entspricht in diesem Fall also ein Temperaturgrenzwert des Leistungstransistors.
Grundsätzlich wäre es wünschenswert, sämtliche Heizelemente einer Elektro­ heizung auf die oben beschriebene Weise zu steuern, um damit eine insgesamt linear steuerbare Elektroheizung zu schaffen. Allerdings wird bei einem derar­ tigen Konzept die in den Leistungstransistoren umgesetzte Verlustleistung der­ art groß, dass sie nicht mehr zuverlässig abführbar ist und insbesondere auch den Wirkungsgrad der Elektroheizung herabsetzt. Es ist daher zweckmäßig, die Elektroheizung neben einem bezüglich seiner Heizleistung steuerbaren Heiz­ strang auch mit ein oder mehreren lediglich ein- oder ausschaltbaren Heizsträngen zu versehen. Sofern von einer derartigen Elektroheizung Heiz­ leistungen abverlangt werden, die größer als die beispielsweise von n einge­ schalteten Heizsträngen gelieferte Heizleistung aber kleiner als die von n + 1 eingeschalteten Heizsträngen gelieferte Heizleistung ist, so werden diese Heizleistungswerte durch Einschaltung von n schaltbaren Heizsträngen und durch entsprechende Ansteuerung des steuerbaren Heizstrangs realisiert.
Im allgemeinen werden als Heizelemente elektrische Widerstandselemente eingesetzt. Diesbezüglich haben sich aus mehreren Gründen PTC-Wider­ standselemente bewährt. Denn derartige PTC-Elemente weisen auf Grund ihres mit zunehmender Temperatur höheren Widerstandswertes eine Selbst­ schutzfunktion auf.
Um auch während der Übergänge zwischen dem Ausschalten des steuerbaren Heizstrangs und dem Einschalten eines lediglich ein- oder ausschaltbaren Heiz­ strangs sowie umgekehrt möglichst kaum Stromschwankungen im Bordnetz zu verursachen, ist es zweckmäßig, wenn der Einschaltstrom des zu aktivierenden Heizstrangs im wesentlichen gleich dem aktuellen Strom durch den zu deakti­ vierenden Heizstrang ist. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise der Um­ stand zu berücksichtigen, dass bei Heizelementen und insbesondere bei PTC- Heizelementen der Einschaltstrom, also der Strom durch das noch nicht aufge­ heizte Heizelement, größer ist als der Dauerstrom, wenn das Heizelement seine Betriebstemperatur aufweist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine einerseits konstruktive und andererseits schaltungstechnische Realisierung einer Elektroheizung gemäß einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 Zeitverläufe betreffend die von der Elektroheizung gemäß Fig. 1 ab­ verlangte ansteigende Wärmeleistung sowie die hierzu korrespondie­ renden Zeitverläufe der von den schaltbaren Heizsträngen und dem steuerbaren Heizstrang zu liefernden Heizleistungen,
Fig. 3 die Verlustleistungskennlinie über der Ansteuerung des Transistors des steuerbaren Heizstrangs und
Fig. 4 die Stromkennlinie eines PTC-Heizelements über der Zeit.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektroheizung 10 zur Erwär­ mung der dem Innenraum eines Fahrzeuges zuzuführenden Luft. Die Elektro­ heizung 10 weist einen Rahmen 12 auf, in dem eine Vielzahl an im wesentliche zig-zackförmig gefalteten Kühllamellen 14 angeordnet sind. Zwischen jeweils benachbarten Kühllamellen 14 befinden sich einzelne Heizelemente 16, 18, die als PTC-Bausteine ausgeführt sind. Die Heizelemente sind in einzelne Gruppen unterteilt, und zwar in eine erste Gruppe 20 mit drei Heizelementen 16 und vier zweite Gruppen 22, 24, 26, 28 mit jeweils zwei Heizelementen 18. Innerhalb der Gruppen sind die Heizelemente 16 bzw. 18 parallel geschaltet und werden durch Transistoren gesteuert bestromt. Die Besonderheit besteht dabei darin, dass es sich bei dem Transistor 30 der ersten Gruppe 20 von Heizelementen 16 um einen bezüglich seines Leitungszustandes steuerbaren Leistungstran­ sistor 30 handelt, während die Transistoren 32, 34, 36 und 38 der anderen Gruppen von Heizelementen 18 als Schalttransistoren ausgeführt und betrie­ ben werden und ausschließlich den Einschalt- oder den Ausschaltzustand annehmen können. Sämtliche Transistoren 30-38 werden von einer Steuerein­ heit 40 angesteuert. Der Leistungstransistor 30 ist darüber hinaus wie die Heizelemente 16, 18 zwischen zwei benachbarten Kühllamellen 14 angeordnet, mit denen er, wie die Heizelemente 16, 18, in Wärmeleitungskontakt steht. Die von diesem Transistor 30 erzeugte Verlustleistung wird also zur Erwärmung des die Elektroheizung 10 durchströmenden Mediums (Luft) genutzt. Demge­ genüber befinden sich die Schalttransistoren 32, 34, 36, 38 außerhalb des Rahmens 12 der Elektroheizung und damit auch außerhalb des diese passie­ renden Luftstroms.
Anhand eines typischen Anforderungsprofils für die von der Elektroheizung 10 zur Verfügung zu stellenden Wärmeenergie über der Zeit gemäß Fig. 2 soll nachfolgend der Betrieb der Elektroheizung 10 kurz erläutert werden. Gemäß der obersten in Fig. 2 dargestellten Kurve steigt die Wärmeanforderung bei­ spielsweise über der Zeit stetig an, wie es beispielsweise bei einem Kaltstart eines Fahrzeuges der Fall ist. Es wird davon ausgegangen, dass seitens des Generators eine ausreichende elektrische Leistung zur Versorgung der Elektro­ heizung 10 zur Verfügung steht.
Über die Steuereinheit 40 wird zunächst der Transistor 30 angesteuert, so dass dieser immer weiter aufgesteuert wird und damit ein zunehmender Strom durch die Heizelemente 16 fließt. Als Folge davon steigt die Wärmeabgabe der Elektroheizung 10 ebenfalls an. Zum Zeitpunkt t1 erreicht der durch den Tran­ sistor 30 und die Heizelemente 16 fließende Strom seinen Maximalwert. Da aber eine größere Wärmemenge als diesem Strom entsprechend von der Elektroheizung 10 geliefert werden muss, wird zum Zeitpunkt t1 auf die erste Gruppe von Heizelemente 18 umgeschaltet, indem der zugehörige Schalttran­ sistor 32 von der Steuereinheit 40 eingeschaltet und der Transistor 30 der ersten Gruppe 20 von Heizelementen 16 wieder ausgeschaltet wird. Damit gibt nun die erste Gruppe 20 von Heizelementen 18 die Wärmemenge P1 ab.
Im Anschluss an den Zeitpunkt t1 wird, da die abverlangte Wärmemenge der Elektroheizung 10 weiter steigt, wiederum über die Steuereinheit 40 der Tran­ sistor 30 mehr und mehr aufgesteuert, bis durch diesen Transistor 30 und die Heizelemente 16 zum Zeitpunkt t2 wiederum der maximal zulässige Strom fließt. Nunmehr wird auf die zweite Gruppe 24 von Heizelementen 18 umge­ schaltet, indem der zugehörige Schalttransistor 34 eingeschaltet und der Tran­ sistor 30 ausgeschaltet wird. Nach diesem Muster wird weiter verfahren, bis sämtliche zuschaltbare Gruppen 22-28 von Heizelementen 18 eingeschaltet und der Transistor 30 voll angesteuert ist. Dies ist im Zeitpunkt t5 der Fall.
Während der zunehmenden Ansteuerung des Transistors 30 durch die Steuer­ einheit 40 bewegt sich der Arbeitspunkt dieses Transistors 30 entlang seiner Verlustleistungskennlinie gemäß Fig. 3. Bei geringer Ansteuerung befindet sich der Arbeitspunkt des Transistors 30 dabei auf dem ansteigenden Ast 42 der Kennlinie, durchläuft dann anschließend den Bereich 44 maximaler Verlust­ leistung, um alsdann bei weiterer Ansteuerung den abfallenden Ast 46 der Kennlinie zu durchfahren. Kritisch hierbei ist es, wenn sich der Arbeitspunkt des Transistors 30 im Bereich 44 maximaler Verlustleistung befindet. Wenn der Transistor 30 statisch in diesem Zustand betrieben wird, führt dies zwangsläu­ fig zur thermischen Zerstörung des Transistors 30, was verhindert werden muss.
Hierzu nutzt die Steuereinheit 40, das Signal eines Temperatursensors 48 aus, der vorzugsweise integraler Bestandteil des Gehäuses des Transistors 30 ist und dessen Chiptemperatur misst. Andere Möglichkeiten, den Bereich maxi­ maler Verlustleistung des Transistors 30 zu detektieren, bestehen beispiels­ weise in der Messung bzw. Ermittlung der augenblicklichen Spannung über dem Transistor 30 und des augenblicklichen Stroms durch den Transistor 30. Bei Erreichen der vorgebbaren maximal zulässigen Chiptemperatur (siehe die Schwelle 50 der fig. 3) sorgt die Steuereinheit 40 durch Veränderung des An­ steuerungssignals für den Transistor 30 dafür, dass dessen Arbeitspunkt den Maximalverlustleistungsbereich 44 verhältnismäßig schnell durchfährt, um so­ mit vor dem ansteigenden Ast 42 der Kennlinie auf den abfallenden Ast 46 der Kennlinie zu gelangen. Als Randbedingung wird dabei noch berücksichtigt, dass der Anstieg des Stroms di/dt kleiner als ein vorgebbarer Grenzwert ist. Als Bei­ spiel für die Grenzwerte dieser Stromveränderung und der Transistortempe­ ratur sind in Fig. 3 Werte von 10 A/sec. bzw. 150°C angegeben. Die Zeitspanne tvariabel, die in Fig. 3 bei 52 angedeutet ist, die zum Durchfahren des Bereichs 44 maximaler Verlustleistung benötigt wird, ist variabel und wird durch die Steuereinheit 40 vorgegeben, die entsprechend der benötigten Zeit das An­ steuerungssignal des Transistors 30 schneller oder langsamer verändert.
Bei der zuvor beschriebenen Umschaltung von der Gruppe 20 der bezüglich ihrer Wärmeabgabe steuerbaren Heizelemente 16 auf eine der Gruppen 20-28 der lediglich ein- oder ausschaltbaren Heizelemente 18 sollte darauf geachtet werden, dass Stromschwankungen unterbleiben. Ohne besondere Vorkehrun­ gen können derartige Stromschwankungen jedoch insbesondere bei PTC-Heiz­ elementen auftreten, was sich aus der PTC-Charakteristik gemäß Fig. 4 ergibt.
Der Einschaltstrom eines kalten PTC-Elements ist nämlich größer als der Strom (Dauerstrom), der bei erwärmtem PTC-Element fließt. Zum Zeitpunkt der Auf­ schaltung einer der Gruppen 22-28 der Elektroheizung 10 sind deren Heizele­ mente 18 kalt, während die Heizelemente 16 der steuerbaren Gruppe 20 auf­ geheizt sind. Damit es bei dieser Umschaltung nicht zu einer Stromschwan­ kung bzw. zu einer kaum merklichen Stromschwankung kommt, wird der bei vollständiger Ansteuerung des Transistors 30 durch die Heizelemente 16 flie­ ßende Strom auf einen Wert eingestellt, der im wesentlichen gleich dem Einschaltstrom einer schaltbaren Gruppe 20-28 von Heizelementen 18 ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Anzahl an von dem Transistor 30 zu steuernden parallel geschalteten Heizelementen 16 größer ist als die Anzahl an parallel geschalteten Heizelementen 18 der anderen lediglich schaltbaren Gruppen 20-28. Dies ist in Fig. 1 dadurch angedeutet, dass die Gruppe 20 drei Heizelemente 16 umfasst, während die Gruppen 22-28 jeweils zwei Heizelemente 18 umfassen. Bei gleichen Heizelementen können damit den einzelnen Gruppen 20-28 unterschiedliche elektrische Widerstände verlie­ hen werden. Selbstverständlich ist es möglich, falls dies erforderlich ist, auch andere Anzahlen von Heizelementen pro Gruppe parallel zu schalten, um das gleiche Ergebnis, wie oben beschrieben, erzielen zu können.
Mit der hier beschriebenen Erfindung wird also eine Elektroheizung geschaffen, die in ihrer Wärmeleistung insbesondere stetig steuerbar ist und dabei einen größtmöglichen Wirkungsgrad aufweist.
Dies wird erreicht, indem
  • - eine Aufteilung der Gesamtleistung in z. B. mehrere geschaltete Heiz­ stränge sowie mindestens einen linear ansteuerbaren Heizstrang er­ folgt (Fig. 1 und 2),
  • - die Ansteuerelektronik eine stetige Änderung des Stroms im PTC-Hei­ zer bewirkt und die Modulation des Heizstroms in der Linearstufe der­ art realisiert, dass eine thermische Überlastung der Halbleier vermie­ den werden kann (Fig. 3),
  • - die linear steuerbare Heizstufe einen derart hohen maximalen Be­ triebsstrom aufweist, dass die Kompensation aller Stromsprünge ver­ ursacht durch Schaltvorgänge bei wechselnder Heizleistung ermög­ licht wird (Fig. 4) und
  • - die Halbleitersteller als integraler Bestandteil des luftdurchströmten Heizkörpers positioniert werden und die im "Linearbetrieb" abzufüh­ rende Leistung der Halbleiter vollständig zur Erwärmung des Kaltluft­ stroms herangezogen wird (Fig. 1).
Mit anderen Worten werden mit der Erfindung
  • - eine stufenlose Leistungssteuerung einer elektrischen Heizung mit Aufteilung der Gesamtleistung auf sowohl geschaltete als auch im Arbeitspunkt betriebene Halbleiter mit jeweils in Reihe geschalteten Heizwiderständen, wobei die im Arbeitspunkt betriebenen Halbleiter im Heiznetzwerk integriert sind und ihre Chiptemperatur dergestalt überwacht wird, dass bei Annäherung an die maximale Chiptempera­ tur die Zeit zum Durchfahren des Verlustleistungsmaximum variiert wird, wodurch die stufenlose Leistungssteuerung unter den Randbedingungen di/dt < Grenzwert und/oder T_Chip < Maxwert ermöglicht wird,
  • - eine unsymmetrische Aufteilung der Gesamtlast, wobei die im Arbeitspunkt betriebenen Halbleiter gegenüber den schaltenden Strängen einen höheren Strom aufnehmen, so dass vorteilhafterweise bei Verwendung von PTC-Heizwiderständen auf die spezielle Charak­ teristik (hoher Einschaltstrom/geringerer Dauerstrom) eingegangen wird und somit bei Umschaltvorgängen ein stetiger Stromverlauf machbar ist, und
  • - eine bauliche Ausführungsform, bei der die im Arbeitspunkt betriebe­ nen Transistoren zwecks Symmetrierung der Heizleistung jeweils in Rahmennähe angebracht sind und deren Trägerkörper sich gegen den Rahmen über die im System verwendeten Lamellen abstützt, so dass sich im Netzwerk eine gleichmäßige Kraftverteilung ergibt,
geschaffen.

Claims (12)

1. Elektroheizung zur Erwärmung eines Gegenstandes oder Mediums, insbe­ sondere zur Erwärmung der in den Innenraum eines Fahrzeuges einzu­ leitenden Luft, mit
mindestens einem durch ein Steuersignal ansteuerbaren ersten Tran­ sistor (30), der in Reihe mit mindestens einem ersten elektrischen Heizelement (16) geschaltet ist, wobei der Widerstand des min­ destens einen Transistors (30) durch das Steuersignal zur Beeinflus­ sung des durch die Reihenschaltung fließenden Stroms einstellbar ist,
einer Einrichtung zur Ermittlung und/oder Abschätzung der Verlust­ leistung des mindestens einen ersten Transistors (30) und
einer Steuereinheit (40) zur Erzeugung des Steuersignals für den mindestens einen ersten Transistor (30),
wobei die Steuereinheit (40) dann, wenn die Einrichtung zur Ermitt­ lung und/oder Abschätzung der Verlustleistung des mindestens einen ersten Transistors (30) das Erreichen eines vorgebbaren maximal zulässigen Verlustleistungsgrenzwerts (50) erkennt, das Steuersignal für den mindestens einen ersten Transistor innerhalb einer variablen Zeitspanne (52) derart verändert, dass der Arbeitspunkt des min­ destens einen ersten Transistors (30) den Bereich (44) von dessen Verlustleistungsmaximum bis zum Erreichen oder Unterschreiten des Verlustleistungsgrenzwerts (50) durchfährt.
2. Elektroheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal für den mindestens einen ersten Transistor (30) zum Durchfahren des Bereichs (44) maximaler Verlustleistung derart verän­ derbar ist, dass die Veränderung des den mindestens einen ersten Tran­ sistor (30) durchfließenden Stroms einen vorgebbaren maximalen Grenz­ wert nicht übersteigt.
3. Elektroheizung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal für den mindestens einen ersten Transistor (30) zum Durchfahren des Bereichs (44) maximaler Verlustleistung derart verän­ derbar ist, dass die im Mittel von dem mindestens einen ersten Heizele­ ment (16) abgegebene Wärmeleistung und ggf. die vom mindestens einen ersten Transistor (30) abgegebene (Verlust-)Wärmeleistung im wesentlichen gleich einem gewünschten Wert ist.
4. Elektroheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, dass die Verlustleistung des mindestens einen ersten Transistors (30) zur Erwärmung des Gegenstandes oder Mediums nutzbar ist.
5. Elektroheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, dass die Einrichtung zur Ermittlung und/oder Abschätzung der Ver­ lustleistung des mindestens einen ersten Transistors (30) einen Tempe­ ratursensor (48) zur Ermittlung der Temperatur des mindestens einen ersten Sensors (30) aufweist und dass dem Verlustleistungsgrenzwert (50) des mindestens einen ersten Transistors (30) eine bestimmte Tem­ peratur des mindestens einen ersten Transistors (30) entspricht.
6. Elektroheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, dass mehrere erste Heizelemente (16) vorgesehen sind, die unter­ einander parallel geschaltet sind, und dass diese Parallelschaltung aus ersten Heizelementen (16) in Reihe mit dem mindestens einen ersten Transistor (30) geschaltet ist.
7. Elektroheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens einen zweiten Transistor (32-38), der in Reihe mit min­ destens einem zweiten elektrischen Heizelement (18) geschaltet ist, wobei der mindestens eine zweite Transistor (32-38) von einem Steuer­ signal gesteuert zwischen einem Einschalt- und einem Ausschaltzustand umschaltbar ist, wobei die Steuereinheit auch den mindestens einen zweiten Transistor (32-38) ansteuert.
8. Elektroheizung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zweite Heizelemente (18) vorgesehen sind, die untereinander parallel geschaltet sind, und dass die Parallelschaltung aus zweiten Heizelemen­ ten (18) in Reihe mit dem mindestens einen zweiten Transistor (32-38) geschaltet ist.
9. Elektroheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, dass das mindestens eine erste und, sofern vorhanden, das min­ destens eine zweite Heizelement (16, 18) jeweils als PTC-Widerstands­ element ausgebildet ist.
10. Elektroheizung nach Anspruch 7 oder nach Anspruch 7 und einem auf Anspruch 7 rückbezogenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (40) dann, wenn der Strom durch den mindestens einen ersten Transistor (30) einen Grenzwert erreicht, den mindestens einen ersten Transistor (30) ausschaltet und einen noch nicht eingeschalteten zweiten Transistor (32-38) einschaltet, wobei der Grenzwert im wesentli­ chen gleich dem Einschaltstrom ist, der durch diesen zweiten Transistor (32-38) fließt, wenn dieser eingeschaltet wird.
11. Elektroheizung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (40) beim Ausschalten eines zweiten Transistors (32-38) den mindestens einen ersten Transistor (30) derart ansteuert, dass der dann durch den mindestens einen ersten Transistor (30) fließende Strom im wesentlichen gleich dem Strom ist, der zuvor durch den zweiten Tran­ sistor (32-38) geflossen ist.
12. Elektroheizung nach Anspruch 4 oder einem auf Anspruch 4 rückbezoge­ nen Anspruch, gekennzeichnet durch nebeneinander angeordnete und in Wärmeleitkontakt stehende Kühllamellen (14) und wärmeabgebende Elemente, bei denen es sich um das mindestens eine erste und, sofern vorhanden, das mindestens eine zweite Heizelement (16, 18) und um den mindestens einen ersten Transistor (30) handelt.
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