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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Diese insbesondere für ein Fahrzeug vorgesehene Heizeinrichtung besteht aus einem Wärme abgebenden Heizelement sowie aus einer elektronischen Schalteinrichtung, die das elektrische Heizelement mit einer zur Einstellung der gewünschten Heizleistung modulierbaren getakteten Spannung ansteuert.
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Eine Heizeinrichtung der gattungsgemäßen Art kann in vielen Bereichen verwendet werden, in denen eine möglichst platzsparende Heizeinrichtung mit starker Heizleistung notwendig ist. Allerdings spielt insbesondere in der modernen Fahrzeugtechnik die Miniaturisierung von Bauteilen eine Schlüsselrolle. Dies trifft auch auf die Heizsysteme solcher Fahrzeuge zu.
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Bei herkömmlichen Heizsystemen für Fahrzeuge werden meist mehrere Rohrheizkörper bzw. elektrische Durchlauferhitzer durch Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer Frequenz angesteuert, die üblicherweise im Bereich unter 1 kHz liegt. Durch diese Art der Ansteuerung entstehen jedoch große Stromwelligkeiten (sogenannte „Rippelströme”). Diese ungleichmäßige Belastung des Bordnetzes ist für einen Großteil der anderen elektrischen Verbraucher schädlich bzw. kann zu einer Störung führen, weshalb die Fahrzeughersteller fordern, dass keiner der installierten elektrischen Verbraucher eine Stromwelligkeit hervorrufen darf, die ein bestimmtes Maß überschreitet.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 009 672 A1 offenbart eine Heizung für ein Fahrzeug mit mindestens zwei Widerstandsheizeinrichtungen, die zwischen einem ersten Heizmodus, in dem die beiden Widerstandsheizeinrichtungen elektrisch seriell geschaltet sind und einem zweiten Heizmodus, in dem die beiden Widerstandsheizeinrichtungen elektrisch parallel geschaltet sind, umgeschaltet werden. Der erste und zweite Pulsweitenmodulator werden jeweils durch um 180° verschobene pulsweitenmodulierte rechteckförmige Signale angesteuert, wodurch das Auftreten von Rippelströmen verringert werden soll.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 008 583 B4 ist eine Heizung für ein Fahrzeug bekannt, bei der mehrere Bänke von Heizelementen vorgesehen sind, die selektiv angeschaltet werden können, um ein definiertes Sollheizniveau zu erreichen. Maßnahmen zur Verringerung von Rippelströmen werden nicht ergriffen, wobei lediglich vorgeschlagen wird, die Ansteuerfrequenz relativ niedrig zu halten, da ein Schalten der Heizelemente mit hoher Frequenz kostspielig und komplex sei.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 007 817 A1 offenbart eine Ansteuerschaltung für eine Fahrzeugheizung, bei der mehrere Heizwiderstände über eine PWM-Schaltung geregelt werden. Bei dieser bekannten Heizung bestehen die Heizelemente aus gewickeltem Leitungsdraht. Eine Filterung bzw. Vermeidung von Rippelströmen wird nicht vorgenommen.
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Eine effektive Maßnahme zur Verringerung von unerwünschten Rippelströmen, von der auch die vorliegende Erfindung Gebrauch macht, ist die Verwendung eines der elektronischen Schalteinrichtung vorgeschalteten Filterkondensators, der bei geeigneter Dimensionierung eine ausreichende Glättung der Bordnetzspannung herbeiführen kann.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei den für übliche Fahrzeuge benötigten Heizleistungen, die im Bereich von mehreren kW liegen, für eine ausreichende Glättung der Rippelströme ein Filterkondensator benötigt wird, dessen elektrische Kapazität im Bereich von 100 μF bis 5 mF liegen müsste. Ein solcher Kondensator hat indes ein Volumen von mehreren Litern, was aufgrund der beengten Platzverhältnisse von Fahrzeugen zu enormen Schwierigkeiten beim Einbau führt. Überdies sind die Kosten für einen solchen Kondensator extrem hoch, so dass die Gesamtkosten für das Heizsystem u. U. inakzeptabel werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizeinrichtung der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, dass unerwünschte Rippelströme mit geringstmöglichen Kosten auf ein ausreichendes Maß verringert werden können.
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Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Die Erfindung schlägt demnach vor, ein Heizelement zu verwenden, dessen Induktivität im Bereich von 20 μH bis 300 μH liegt. Es hat sich gezeigt, dass, indem ferner die Taktfrequenz der elektronischen Schalteinrichtung auf einen Bereich von 1 kHz bis 200 kHz eingestellt wird, eine ausreichende Verringerung der unerwünschten Rippelströme erfindungsgemäß auch mit einem solchen Filterkondensator erreicht werden kann, dessen Kapazität relativ gering ist, so dass die Kosten des Heizsystems durch den Filterkondensator nicht übermäßig erhöht werden. Da zudem auch die Herstellung eines Heizelements mit der erforderlichen Induktivität zu akzeptablen Kosten erreicht werden kann, liegen die Gesamtkosten des Systems trotz der guten Filterwirkung auf einem akzeptablen Niveau.
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Herkömmliche Heizelemente werden zwar, wie oben erwähnt, häufig in Form einer Drahtwicklung ausgeführt, jedoch ist die Art der Wicklung in Verbindung mit der Drahtdicke derart, dass das Heizelement trotzdem vorwiegend einen ohmschen Wirkwiderstandsanteil aufweist, während seine Induktivität nach wie vor vernachlässigbar gering ist. Jedenfalls ist ihre Induktivität weit unterhalb des von der Erfindung geforderten Werts, so dass diese bekannten Heizelemente die Kernidee der Erfindung, gezielt einen induktiven Anteil des Heizelements zu nutzen, in keiner Weise anregen können.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht auch darin, dass der grundsätzliche Aufbau herkömmlicher Heizeinrichtungen nicht wesentlich verändert werden muss, vielmehr können herkömmliche Heizeinrichtungen gemäß der Lehre der Erfindung z. B. durch Änderungen der Wicklung bei Spulen so abgewandelt werden, dass sich die Induktivität des jeweiligen Heizelements (z. B. eines Rohrheizkörpers) erhöht. Die Erfindung ermöglicht somit auch die nachträgliche Anpassung bzw. Aufrüstung herkömmlicher Heizeinrichtungen zur Reduktion auftretender Rippelströme.
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Je nach den Erfordernissen der Anwendung einer erfindungsgemäßen Heizeineinrichtung kann der Wert der Induktivität des Heizelements optimal angepasst werden. Vorzugsweise nimmt die Induktivität des Heizelements hierbei, neben dem oben genannten Grundbereich von 20 μH bis 300 μH, einen Wert im Bereich von 50 μH bis 300 μH, bevorzugt von 100 μH bis 300 μH, insbesondere von 150 μH bis 300 μH, an.
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Auch die Taktfrequenz der elektronischen Schalteinrichtung, mit der das Heizelement angesteuert wird, kann innerhalb eines bestimmten Bereichs an die individuellen Erfordernisse einer spezifischen Anwendung der Heizeinrichtung angepasst werden. Vorteilhafterweise nimmt die Taktfrequenz hierbei, neben dem oben genannten Grundbereich von 1 kHz bis 200 kHz, einen Wert im Bereich von 5 kHz bis 200 kHz, bevorzugt von 50 kHz bis 200 kHz, insbesondere von 100 kHz bis 200 kHz, an.
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Vorzugsweise ist das Heizelement ein Rohrheizkörper, eine Heizpatrone oder ein sonstiges mit einem Heizdraht gewickeltes Heizelement, bei dem die gewünschte Induktivität durch geeignete Wahl der Anzahl der Windungen des Heizdrahts, den Wickeldurchmesser, die Länge des Wickels und die Permeabilität des Spulenkerns eingestellt wird.
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Auch die elektrische Kapazität des Heizelements kann durch die Größe der Oberfläche des Drahtwickels und der äußeren Hülle des Heizelements, sowie durch das Dielektrikum des Isoliermaterials und den Abstand zwischen Drahtwickel und Hülle eingestellt werden. Durch die Anpassung verschiedener Kenngrößen des Heizelements, wie beispielsweise, der Induktivität, der elektrischen Kapazität und dem kapazitiven Streuanteil, kann die Heinzeinrichtung optimal auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten werden.
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Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung des Heizelements durch die Schaltungsvorrichtung mit einer modulierbaren getakteten Spannung im Rahmen einer Pulsweitenmodulation.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der 1 in Verbindung mit der zugehörigen Beschreibung.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst eine elektrische Heizeinrichtung 1 eine elektronische Schalteinrichtung S1, die eingangsseitig über einen Filterkondensator CF mit einem Versorgungsnetz HV, dessen Spannung im Bereich zwischen 40 V und 1.200 V liegt, gekoppelt ist. Ein elektrisches Heizelement RHK wird von der Schalteinrichtung S1 mit einer zur Einstellung der gewünschten Heizleistung modulierbaren getakteten Spannung angesteuert. Hierbei liegt die Taktfrequenz der elektronischen Schalteinrichtung S1 im Bereich von 1 kHz bis 200 kHz. Die Induktivität LH des Heizelements RHK weist einen Wert im Bereich von 20 μH bis 300 μH auf. Die elektronische Schalteinrichtung S1 kann nicht nur, wie in der 1 gezeigt, als High-Side-Schalter, sondern auch als Low-Side-Schalter ausgeführt sein.
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In der Ausführungsform gemäß 1 ist das Heizelement RHK ein elektrischer Rohrheizkörper, welcher eine Induktivität LH und einen Wirkwiderstand aufweist, an dem eine mit UR (t) bezeichnete Spannung abfällt. Durch geeignete Wahl der Anzahl der Windungen des Heizdrahts des Rohrheizkörpers, des Wickeldurchmesser, der Länge des Wickels und der Permeabilität des Spulenkerns kann die Induktivität LH des Rohrheizkörpers eingestellt werden. In seinem grundsätzlichen Aufbau unterscheidet sich die Heizeinrichtung der 1 nicht wesentlich von herkömmlichen Heizeinrichtungen.
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Die technische Lehre der Erfindung besteht darin, den Rohrheizkörper so auszubilden, dass dieser eine bestimmte erwünschte Induktivität aufweist und zudem den Rohrheizkörper mit einer bestimmten, relativ hohen Frequenz anzusteuern, wodurch sich die im Bordnetz auftretenden Rippelströme reduzieren lassen. Aufgrund der geringeren Rippelströme kann der Filterkondensator CF mit im Vergleich zu herkömmlicherweise in Heizeinrichtungen verwendeten Filterkondensatoren geringerer elektrischer Kapazität verwendet werden, wodurch die Heizeinrichtung insgesamt kleiner ausgebildet werden kann. In der Praxis hat der Filterkondensator CF einen Wert im Bereich von 0,1 μF bis 10 μF.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011009672 A1 [0004]
- DE 102010008583 B4 [0005]
- DE 102011007817 A1 [0006]
