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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Heizsystem gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur stufenlosen
Ansteuerung einer elektrischen Heizeinrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Um
den Innenraum eines Kraftfahrzeugs aufzuwärmen, ist es
meist in der Startphase oder bei geringen Außentemperaturen
notwendig, zuzuheizen, da die heutzutage eingesetzten verbrauchsoptimierten
Fahrzeuge nicht ausreichend Abwärme produzieren. Dabei
ist es bevorzugt, elektrische PTC-Zuheizer einzusetzen, da sie kostengünstig, spontan
spürbar – das heißt, die elektrische
Leistung wird sofort in Wärme umgesetzt – und
platzsparend sind.
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Auch
in Fahrzeugen ohne konventionellen Kühlmittelkreislauf,
z. B. in Elektrokraftfahrzeugen, muss die Heizleistung zur Temperierung
der Fahrzeugkabine anderweitig bereitgestellt werden.
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Hierzu
werden im Allgemeinen elektrische Stand-Alone-PTC-Heizeinrichtungen
eingesetzt, wobei zur Sicherstellung eines hinreichenden Innenraumkomforts
Heizleistungen von größer 5 kW erforderlich sind.
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Bekannte
PTC-Zuheizer, die in herkömmlichen Fahrzeugen mit geringer
Motorwärme (z. B. bei Dieselmotoren) eingesetzt werden,
weisen in der Regel Heizleistungen unterhalb von 1,5 kW auf und
werden typischerweise an dem 12V-Bordnetz betrieben. Die Ansteuerung
erfolgt dabei entweder gestuft, wobei ein Relais eingesetzt wird,
oder stufenlos über eine Pulsweitenmodulation (PWM).
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In
Elektrofahrzeugen kann jedoch für die Traktionseinrichtungen
ein zweites Bordnetz mit einer Spannung oberhalb von 300 V vorhanden
sein, welches ebenfalls genutzt werden kann, um die PTC-Heizeinrichtung
zu versorgen. Jedoch kann die stufenlose Ansteuerungsmethodik für
12V-PTC-Zuheizer, die zur Realisierung einer geeigneten Innenraumtemperaturregelung
in einem Kraftfahrzeug zwingend erforderlich ist, nicht ohne weiteres
auf elektrische Stand-Alone-Hochvolt-Heizeinrichtungen übertragen
werden. Diese Problematik ist unter anderem durch die sehr hohen
Einschaltströme, welche unter Umständen in jedem
PWM-Zyklus auftreten, die nochmals vergrößerten
PTC-Einschaltstromspitzen aufgrund des bekannten VDR-Effekts bei
höheren Spannungen und eine unzulässig hohe Bornetzbelastung
durch sprunghafte Stromänderungen bedingt. Auch ist die
elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) in solch einem
Fall kritisch.
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Um
eine stufenlose „geglättete Betriebsweise” einer
elektrischen Heizeinrichtung beispielsweise in Form eines PTC-Zuheizers
zu erreichen, kann prinzipiell ein Linearregler eingesetzt werden,
wobei die anfallende Abwärme des Linearreglers für
Heizzwecke mit einbezogen wird. Aufgrund der hohen Verlustleistung
im Regler, welche mehrere kW beträgt, ist eine derartige
Lösung technisch jedoch nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar.
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Aus
DE 103 27 342 A1 ist
ein elektrisches Heizungssystem bekannt, welches eine elektrisch isolierende
Trägerschicht, eine auf dieser angeordnete, elektrisch
leitende Heizschicht, wenigstens zwei im Abstand zueinander an der
Heizschicht angeordnete und mit dieser im elektrisch leitenden Kontakt
stehende Elektroden und eine mit diesen elektrisch verbundene Stromquelle
aufweist. Bei dem in
DE
103 27 342 A1 beschriebenen Heizungssystem handelt es sich
jedoch um eine Applikation aus der Stationärtechnik, wobei
die verwendete Stromquelle ein AC/DC-Wandler, eingangsseitig 220
V (1-Phasen-Wechselstrom) oder 380 V (3-Phasen-Drehstrom), vorzugsweise
primär getaktet, mit einer Stromsteuereinheit ist, von
welcher der die Heizschicht durchfließende Strom gesteuert
wird.
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Daher
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches
Heizsystem sowie ein Verfahren zur stufenlosen Ansteuerung einer
elektrischen Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug vorzusehen,
mittels welcher eine verlustleistungsarme Regelung mit geringem
technischem Aufwand realisierbar ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein elektrisches Heizsystem
mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch
ein Verfahren zur stufenlosen Ansteuerung einer elektrischen Heizeinrichtung
mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in
den Unteransprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß wird
ein elektrisches Heizsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
vorgesehen, welches zumindest eine elektrische Heizeinrichtung mit
zumindest einem an eine Energiequelle angeschlossenem PTC-Heizelement,
und zumindest eine Vorrichtung zur stufenlosen Ansteuerung des PTC-Heizelements
aufweist. Die zumindest eine Vorrichtung zur stufenlosen Ansteuerung
des PTC-Heizelements umfasst einen DC/DC-Wandler, welcher die Heizleistung
des PTC-Heizelements regelt. Da bei der erfindungsgemäßen
Lösung zur stufenlosen Steuerung einer PTC-Heizeinrichtung
die Spannung der PTC-Heizeinrichtung bzw. des PTC- Heizelements mittels
des DC/DC-Wandlers eingestellt bzw. geregelt wird, kann eine verlustleistungsarme
Regelung mit geringem technischen Aufwand erzielt werden. Auch ist
die hierdurch erzielte „geglättete Betriebsweise” der
PTC-Heizeinrichtung mittels des Schaltreglers in Form des DC/DC-Wandlers
hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit sehr
vorteilhaft für das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Durch die
PTC-Charakteristik ist das System „elektrische Heizeinrichtung/Schaltregler” bzw.
PTC-Heizelement/DC/DC-Wandler eigensicher und regelt die Heizleistung
beispielsweise bei einem Ausfall des Klimagebläses auf
unkritische Werte zurück. Unzulässige Übertemperaturen
werden ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen vermieden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler ein Tiefsetzsteller.
Dies ist besonders vorteilhaft, da mittels dieser Konfiguration
typischerweise ein Wirkungsgrad > 90%
erzielt werden kann. Aufgrund des hohen Wirkungsgrads des Schaltreglers
in Form eines Tiefsetzstellers ist die anfallende Verlustleistung
auch bei den oben genannten Heizleistungen von ≥ 5 kW bei
einer Anordnung im Luftkanal eines Klimagebläses ohne größeren Aufwand
abführbar.
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Gemäß noch
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische
Heizeinrichtung eine Hochvolt-Heizeinrichtung. Durch diese Ausführung
kann das elektrische Heizsystem durch sekundäre Bordnetze
in einem Kraftfahrzeug mit einer Spannung von ≥ 300 V versorgt
werden.
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Alternativ
kann das elektrische Heizsystem auch in konventionellen 12V-Bordnetzen
eingesetzt werden. In diesem Fall wird der DC/DC-Wandler vorzugsweise
als Hochsetzsteller, z. B. von 12 V auf 300 V, mit stufenloser Steuerbarkeit
der Sekundärspannung vorgesehen.
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Vorzugsweise
ist die elektrische Heizeinrichtung ein elektrischer PTC-Zuheizer,
insbesondere für eine Kraftfahrzeugklimaanlage.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische
Heizeinrichtung eine Stand-Alone-Vorrichtung. Durch Vorsehen der
elektrischen Heizeinrichtung als Stand-Alone-Elektroheizer, dessen
Heizleistung mittels DC/DC-Wandler stufenlos steuerbar ist, kann
ein hoher Komfort bereitgestellt werden.
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Es
ist darüber hinaus bevorzugt, wenn das elektrische Heizsystem
weiterhin einen Ausblastemperaturregler umfasst, welcher dem DC/DC-Wandler eine
Stellgröße zuführt.
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Vorzugsweise
generiert der DC/DC-Wandler eine Ausgangsspannung, insbesondere
zwischen 0 V und der sekundären Bordnetzspannung, aus der Stellgröße.
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Gemäß noch
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die PTC-Heizleistung
durch die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers einstellbar.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, wenn das elektrische Heizsystem weiterhin eine
Bedieneinrichtung zum Einstellen einer Soll-Innenraumtemperatur und/oder
einen Ausblastemperatursensor und/oder einen Innenraumtemperatursensor
und/oder einen Außentemperatursensor umfasst.
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Auch
besteht eine Erweiterungsmöglichkeit des elektrischen Heizsystems
auf zwei- oder mehrzonige Heizsysteme mit zwei oder mehreren Schaltreglern
(DC/DC-Wandlern) bzw. mit zwei- oder mehreren PTC-Heizeinrichtungen.
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Erfindungsgemäß wird
darüber hinaus ein Verfahren zur stufenlosen Ansteuerung
einer elektrischen Heizeinrichtung, insbesondere einer elektrischen
PTC-Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche zumindest
ein PTC-Heizelement aufweist, bereitgestellt, wobei die Spannung
der PTC-Heizeinrichtung mittels einer Ausgangsspannung eines DC/DC-Wandlers
geregelt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
kann eine adäquate Innenraumtemperaturregelung durch die
stufenlose Einstellbarkeit der PTC-Heizleistung erreicht werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden
Schritte: Vergleichen einer Soll-Innenraumtemperatur mit einer gemessenen
Innenraumtemperatur; Ermitteln einer Innenraumregler-Stellgröße
unter Einbeziehung einer Außentemperatur, wobei aus der
ermittelten Stellgröße eine Soll-Ausblastemperatur
abgeleitet wird; Vergleichen der Soll-Ausblastemperatur mit einer
gemessenen Ausblastemperatur; Zuführen der Soll-Ausblastemperatur
an einen Ausblastemperaturregler; Ermitteln einer Ausblastemperaturregler-Stellgröße;
und Zuführen der Ausblastemperaturregler-Stellgröße
an den DC/DC-Wandler.
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Jedoch
kann in einem einfacheren System der unterlagerte Ausblastemperatur-Regelkreis
entfallen, wobei dann eine direkte Regelung der Innenraumtemperatur
erfolgt.
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Gemäß noch
einer bevorzugten Ausführungsform generiert der DC/DC-Wandler
aus der Ausblastemperaturregler-Stellgröße eine
Ausgangsspannung, insbesondere zwischen 0 V und der sekundären
Bordnetzspannung von beispielsweise 300 V.
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Ganz
besonders bevorzugt wird gemäß dem Verfahren als
DC/DC-Wandler ein Tiefsetzsteller eingesetzt. Alternativ kann, wenn
das Verfahren zur Rege lung einer an ein 12V-Bordnetz angeschlossenen PTC-Heizeinrichtung
eingesetzt wird, der DC/DC-Wandler als Hochsetzsteller vorgesehen sein.
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Vorzugsweise
wird das Verfahren zum Regeln der Heizleistung eines elektrischen
PTC-Zuheizers eingesetzt. Dabei wird eine vorteilhafte „geglättete
Betriebsweise” des PTC-Zuheizers erreicht.
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Gemäß noch
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der elektrische
Zuheizer in einer Kraftfahrzeugklimaanlage eingesetzt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Ansicht einer elektrischen Heizeinrichtung gemäß dem
Stand der Technik;
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2 eine
Ansicht eines PTC-Heizelements gemäß dem Stand
der Technik; und
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3 ein
Regelungs-Blockschaltbild für eine elektrische Heizeinrichtung.
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1 zeigt
eine Ansicht einer elektrischen Heizeinrichtung 1 gemäß dem
Stand der Technik. Bei der elektrischen Heizeinrichtung 1 handelt
es sich um eine PTC-Heizeinrichtung, die in einer Kraftfahrzeugklimaanlage
als elektrischer Zuheizer eingesetzt wird. Bei diesen elektrischen
PTC-Heizeinrichtungen erfolgt die Umwandlung von elektrischer Energie
aus dem Bordnetz des Fahrzeugs in Wärme in der Regel in
einem PTC-Element (Positive Temperature Coefficient). Dieser Kaltleiter
aus Keramik ist ein sehr stark temperaturabhängiger Halbleiterwiderstand.
Das heißt, dass mit zunehmender Temperatur der Widerstand
des Keramik-Elements sehr stark zunimmt. Dadurch stellt sich unabhängig
von den Randbedingungen – wie z. B. angelegte Spannung,
Nominalwiderstand, Luftmenge über dem PTC-Element – eine
sehr gleichmäßige Oberflächentemperatur
am PTC-Element ein. Dadurch wird eine Überhitzung verhindert, wie
sie z. B. mit einem normalen Wärme abgebenden Heizdraht
bei unzureichender Luftmenge auftreten könnte.
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Die
hier gezeigte elektrische Heizeinrichtung 1 ist an das
Bordnetz eines Kraftfahrzeugs anschließbar, welches eine
Spannung von beispielsweise ≥ 300 V liefert. Die elektrische
Heizeinrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Wellrippen 3 und
PTC-Heizelementen 6 (welche detaillierter im Zusammenhang mit 2 beschrieben
werden), die in abwechselnder Folge angeordnet sind und ein Heiznetz 5 bilden.
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2 zeigt
ein PTC-Heizelement 6 gemäß dem Stand
der Technik. In einem Rahmen 7 sind in dieser Ausführungsform
auf jeder der beiden gegenüberliegenden Seiten jeweils
drei PTC-Keramiken 8 gehalten, wovon in dieser Ansicht
nur die drei an der Vorderseite 9 des Rahmens 7 gehaltenen
PTC-Keramiken 8 sichtbar sind. Über den Anschluss 10 ist
das PTC-Heizelement 6 an eine Energieversorgung (nicht
dargestellt) anschließbar.
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3 ist
ein Regelungs-Blockschaltbild für eine elektrische Heizeinrichtung 1,
mittels welchem die Funktionsweise des elektrischen Heizsystems gemäß einer
Ausführungsform bzw. das Steuerungsverfahren für
eine elektrische PTC-Heizeinrichtung erläutert wird. An
einer Bedieneinrichtung 12, welche beispielsweise in einem
Bedienpanel in einem Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs (nicht
dargestellt) vorgesehen ist, ist eine gewünschte Soll-Innenraumtemperatur,
hier durch den Wert „22°” angedeutet, einstellbar.
Die Soll-Innenraumtemperatur soll in einer Fahrzeugkabine 11 erreicht
bzw. eingestellt werden. Ein Innenraumtemperatursensor 13 misst
eine tatsächliche Innenraumtemperatur in der Fahrzeugkabine 11 des
Kraftfahrzeugs. Der gemessene Temperaturwert sowie der Soll-Temperaturwert
werden vergli chen und einem P-Innenraumregler 14 zugeführt.
Darüber hinaus wird in dieser Ausführungsform mittels
eines Außentemperatursensors 15 eine Außentemperatur
gemessen und der gemessene Wert wird ebenfalls dem P-Innenraumregler 14 zugeführt. Der
P-Innenraumregler 14 ermittelt unter Einbeziehung der Außentemperatur
anhand der Kennlinie 16 eine Innenraumregler-Stellgröße,
woraus auf bekannte Art und Weise eine Soll-Ausblastemperatur 17 abgeleitet
wird, die wiederum mit einer von einem Ausblastemperatursensor 18,
der beispielsweise in einem Fußraumkanal einer Kraftfahrzeugklimaanlage
angeordnet sein kann, gemessenen Ausblastemperatur verglichen wird
und einem PI-Ausblastemperaturregler 19 zugeführt
wird.
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Die
Stellgröße des PI-Ausblastemperaturreglers 19 wird
dem Schaltregler zugeführt, hier dem DC/DC-Wandler 20,
der daraus eine Ausgangsspannung zwischen 0 V und der zweiten Bordnetzspannung
des Kraftfahrzeugs, die im Hochvoltbereich ≥ 300 V liegt,
generiert. Mittels der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 20 wird
die Heizleistung der elektrischen Heizeinrichtung 1 über
die PTC-Heizelemente immer bedarfsgerecht eingestellt.
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Insgesamt
kann mit dem elektrischen Heizsystem, welches eine elektrische Heizeinrichtung aufweist,
dessen Temperatur über die Ausgangsspannung eines DC/DC-Wandlers
geregelt wird, stufenlos eine „geglättete Betriebsweise” einer
PTC-Heizeinrichtung verlustleistungsarm erzielt werden.
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- 1
- elektrische
Heizeinrichtung
- 2
- Flachrohr
- 3
- Wellrippe
- 4
- Einlass
- 5
- Heiznetz
- 6
- PTC-Heizelement
- 7
- Rahmen
- 8
- PTC-Keramik
- 9
- Vorderseite
- 10
- Anschluss
- 11
- Fahrzeugkabine
- 12
- Bedieneinrichtung
- 13
- Innenraumtemperatursensor
- 14
- P-Innenraumregler
- 15
- Außentemperatursensor
- 16
- Kennlinie
- 17
- Soll-Ausblastemperatur
- 18
- Ausblastemperatursensor
- 19
- PI-Ausblastemperaturregler
- 20
- DC/DC-Wandler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10327342
A1 [0008, 0008]