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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Heizvorrichtungen können beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Aufheizung (Erwärmung) der Raumluft in der Fahrgastzelle und zur Erwärmung der Batterie, zur Vorheizung des Kühlwassers von wassergekühlten Motoren, zum Vorglühen der Zündkerzen bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen, zur Erwärmung von Kraftstoff, zum Auftauen von Betriebsflüssigkeiten wie Scheiben- oder Scheinwerferreinigungsflüssigkeit und der Harnstofflösung eines SCR-Katalysators etc. eingesetzt werden. Ferner können derartige Heizvorrichtungen in sogenannter Weißer Ware wie beispielsweise einem Wäschetrockner oder einer Waschmaschine verwendet werden.
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Insbesondere in modernen Fahrzeugen, wie beispielsweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Brennstoffzellenfahrzeugen, welche in ihrem Bordnetz hohe elektrische Spannungen haben, müssen Heizkreisläufe aufgrund fehlender oder nur temporär verfügbarer Wärmequellen, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, zusätzlich durch entsprechende Heizvorrichtungen erwärmt werden. Typischerweise handelt es sich bei den Heizkreisläufen um Wasserkreisläufe bzw. um ein Wasserumlaufsystem. Ferner ergeben sich wegen der hohen Bordnetzspannung erhöhte Anforderungen an die funktionale Sicherheit von in Fahrzeugen eingesetzten elektrischen Heizvorrichtungen.
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Herkömmliche Heizvorrichtungen für Fahrzeuge können mehrere Rohrheizkörper aufweisen, wie sie beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2010 060 446 A1 bekannt sind, die mittels Pulsweitenmodulation angesteuert werden, wobei die Frequenz unter 1 kHz liegt. Die Rohrheizkörper sind dabei üblicherweise an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen, und die Ansteuerung mittels Pulsweitenmodulation führt zu unerwünschten Rippelströmen im Bordnetz, d.h. hat eine unerwünschte Stromwelligkeit im Bordnetz zur Folge. Diese unerwünschte Welligkeit des Bordnetzstroms kann sich wiederum nachteilig auf weitere an das Bordnetz angeschlossene Verbraucher auswirken und deren Funktionsweise stören und/oder deren Ausfall beschleunigen.
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Um die Stromwelligkeit im Bordnetz zu begrenzen, ist in der Regel ein Bordnetzfilter im Bordnetz vorgesehen. Bei den in Fahrzeugen benötigten Heizleistungen, die typischerweise im Bereich von 5 kW bis 8 kW liegen können, müsste zur Vermeidung einer Welligkeit des Bordnetzstroms der Bordnetzfilter eine Kapazität aufweisen, die im Bereich von 100 µF bis 5 mF liegt. Ein solcher Bordnetzfilter hätte jedoch für den Einsatz in einem Fahrzeug unverhältnismäßig große Dimensionen und Kosten.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Heizvorrichtung bereitzustellen, mit welcher Rippelströme, insbesondere in einem Fahrzeugbordnetz, vermieden oder zumindest reduziert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen von Fluidströmen, insbesondere in einem Fahrzeug, weist ein Heizelement und eine Steuereinrichtung zum Steuern einer von dem Heizelement zu erzeugenden Wärmeleistung auf. Das Heizelement weist einen ohmschen Widerstand und eine Induktivität auf und kann beispielsweise als Rohrheizkörper ausgestaltet sein.
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Die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung umfasst eine Brückenschaltung, die zwei zueinander parallel geschaltete Brückenarme und einen Brückenzweig hat. Jeder Brückenarm weist zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente auf, die über einen Knotenpunkt miteinander verbunden sind. Der Brückenzweig verbindet den die Schaltelemente des einen Brückenarms verbindenden Knotenpunkt (im Folgenden auch: erster Knotenpunkt) mit dem die Schaltelemente des anderen Brückenarms verbindenden Knotenpunkt (im Folgenden auch: zweiter Knotenpunkt). Die beiden Brückenarme werden auch als erster Brückenarm und als zweiter Brückenarm bezeichnet, wobei der zweite Brückenarm zu dem ersten Brückenarm parallel geschaltet ist.
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In dem Brückenzweig ist ein Schwingkreis angeordnet bzw. der Brückenkreis bildet einen Schwingkreis, welcher das Heizelement umfasst. Das heißt, das Heizelement, das eine Induktivität und einen ohmschen Widerstand aufweist, ist im Brückenzweig angeordnet. In dem Brückenzweig ist zusätzlich eine elektrische Kapazität, insbesondere in Form eines Kondensators, vorgesehen, die mit dem Heizelement verbunden ist. Vorzugsweise ist der Schwingkreis als Reihenschwingkreis ausgestaltet, sodass der ohmsche Widerstand des Heizelements, die Induktivität des Heizelements und die elektrische Kapazität in dem Brückenzweig in Reihe geschaltet sind.
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Die in den Brückenarmen angeordneten Schaltelemente sind vorzugsweise als Halbleiterschaltelemente, beispielsweise als MOSFETs und/oder IGBTs ausgebildet, an die jeweils eine Freilaufdiode antiparallel angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung umfasst ferner eine Ansteuereinrichtung, insbesondere eine Treiberschaltung, zur Ansteuerung der Schaltelemente der Brückenschaltung. Besonders bevorzugt ist die Ansteuereinrichtung derart ausgestaltet, dass sie die Schaltelemente spannungslos schaltet (sogenanntes ZVS - Zero Voltage Switching).
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Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung hat den Vorteil, dass für die in einem Fahrzeug typischerweise erforderliche Heizleistung nur eine derartige elektrische Heizvorrichtung mit einem Heizelement benötigt wird, insbesondere weil das Heizelement einen Teildes Schwingkreises bildet. Ferner wird durch das Vorsehen einer elektrischen Kapazität, insbesondere eines Kondensators, die in Reihe zu dem Heizelement geschaltet ist, der Heizkreis selbst bei fehlerhafter, ununterbrochener Ansteuerung des Heizelements eigensicher, da durch den Kondensator der Stromfluss durch das Heizelement unterbrochen und ein Aufheizen des Heizelements verhindert werden kann, sodass die funktionale Sicherheit gewährleistet ist.
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Da die Brückenschaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung zwei Brückenarme aufweist, in denen Schaltelemente angeordnet sind, d.h. als Vollbrücke und Vierquadrantensteller ausgebildet ist, kann ein Versorgungsstrom/Bordnetzstrom mit - gegenüber dem Strom durch das Heizelement - doppelter Frequenz generiert werden, was vorteilhafterweise die Welligkeit des Versorgungsstroms/Bordnetzstroms reduziert, sodass nur ein relativ kleiner und kostengünstiger Bordnetzfilter benötigt wird.
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Dadurch, dass die Schaltelemente der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung bevorzugt im Nulldurchgang der an ihnen anliegenden Spannung geschaltet werden, können außerdem Schaltverluste reduziert und die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert werden. Außerdem können die Schaltelemente mit einer höheren Schaltfrequenz, z.B. 100 kHz, geschaltet werden, was die Welligkeit des Versorgungsstroms/Bordnetzstroms weiter reduziert und sich ebenfalls positiv auf die Bordnetzfiltergröße auswirkt.
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Weil das Heizelement, welches neben einem ohmschen Widerstand eine Induktivität aufweist, mit der elektrischen Kapazität im Brückenzweig einen Schwingkreis bildet, kann eine quasi-sinusförmige Stromaufnahme durch das Heizelement erzeugt werden, wodurch ebenfalls weniger Oberschwingungen generiert werden, was die elektromagnetische Verträglichkeit weiter positiv beeinflusst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung, welche an ein Bordnetz eines Fahrzeugs angeschlossen ist, und
- 2 schematische Darstellungen von zeitlichen Verläufen a) eines durch ein Heizelement der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung fließenden Stroms IR, b) eines in eine Brückenschaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung fließenden Stroms IHV (ohne Glättung durch einen Bordnetzfilter) und c) eines Bordnetzstroms IBN (nach Glättung durch einen beispielhaften Bordnetzfilter).
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1 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung 1, welche beispielhaft an ein nicht näher bezeichnetes Bordnetz eines Fahrzeugs angeschlossen ist. Als Energiequelle des Bordnetzes ist eine Fahrzeugbatterie 2 vorgesehen, deren Ausgangs(-gleich-)spannung z.B. bis zu 1200 V betragen kann, wobei auch höhere Spannungswerte möglich sind. Die elektrische Heizvorrichtung 1 der Erfindung ist vorzugsweise als Wasserheizer ausgestaltet, wie er z.B. dem Umlauf eines Betriebsfluids, beispielsweise von Kühlwasser, in einem Fahrzeug zugeordnet sein kann.
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Die elektrische Heizvorrichtung 1 weist eine Steuereinrichtung 8 mit einer Brückenschaltung 3 und ein Heizelement 6 auf. Die Steuereinrichtung 8 dient zum Steuern der von dem Heizelement 6 abgegebenen Wärme. Die Brückenschaltung 3 hat einen ersten Brückenarm 3.1 und einen zweiten Brückenarm 3.2, die parallel zueinander angeschlossen sind. Der erste Brückenarm 3.1 weist ein erstes Schaltelement S1 und ein zweites Schaltelement S4 auf, die in Reihe geschaltet sind und dabei über einen ersten Knotenpunkt 4.1 miteinander verbunden sind. Der zweite Brückenarm 3.2 weist ein drittes Schaltelement S3 und ein viertes Schaltelement S2 auf, die in Reihe geschaltet und über einen zweiten Knotenpunkt 4.2 miteinander verbunden sind. Die Schaltelemente S1-S4 sind vorzugsweise jeweils als Halbleiterschalter, z.B. als MOSFET, mit antiparallel geschalteter Freilaufdiode ausgestaltet.
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Die Brückenschaltung 3 weist ferner einen Brückenzweig 5 auf, der den ersten Knotenpunkt 4.1 und den zweiten Knotenpunkt 4.2 verbindet. Die Brückenschaltung 3 ist also als Vollbrücke ausgestaltet. Der nicht näher bezeichnete Knotenpunkt zwischen dem Schaltelement S1 des ersten Brückenarms 3.1 und dem Schaltelement S3 des zweiten Brückenarms 3.2 ist mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung U_Batterie verbunden. Der nicht näher bezeichnete Knotenpunkt zwischen dem Schaltelement S4 des ersten Brückenarms 3.1 und dem Schaltelement S2 des zweiten Brückenarms 3.2 ist mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung U_Batterie, d.h. mit dem Bezugspotential, verbunden. Das Schaltelement S1 des ersten Brückenarms 3.1 verbindet den ersten Knotenpunkt 4.1 mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung U_Batterie, und das Schaltelement S3 des zweiten Brückenarms 3.2 verbindet den zweiten Knotenpunkt 4.2 mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung U_Batterie. Das Schaltelement S4 des ersten Brückenarms 3.1 verbindet den ersten Knotenpunkt 4.1 mit Bezugspotential, während das Schaltelement S2 des zweiten Brückenarms 3.2 den zweiten Knotenpunkt 4.2 mit dem Bezugspotential verbindet.
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Der Brückenzweig 5 bildet den Lastkreis der Brückenschaltung 3. Der im Brückenzweig 5 fließende Strom wird als Brückenzweigstrom IR bezeichnet. Der in die Brückenschaltung 3 bzw. die elektrische Heizvorrichtung 1 fließende Versorgungsstrom wird als Versorgungsstrom IHV bezeichnet. In dem Bordnetz kann zwischen die Batterie 2 und die elektrischen Heizvorrichtung 1 ein Bordnetzfilter 7 zwischengeschaltet sein, um eine eventuelle Welligkeit des Versorgungsstroms IHV zu glätten bzw. zu reduzieren. Der mittels des Bordnetzfilters 7 geglättete Versorgungsstrom IHV wird als Bordnetzstrom IBN bezeichnet.
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Das Heizelement 6 der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung 1 ist in dem Brückenzweig 5 der Brückenschaltung 3 angeordnet. Der Brückenzweig 5 weist einen Reihenschwingkreis SK auf, der durch eine Induktivität L, einen ohmschen Widerstand R und eine elektrische Kapazität C gebildet wird, die in Reihe geschaltet sind. Dabei sind die Induktivität L und der ohmsche Widerstand R die Induktivität und der ohmsche Widerstand des in dem Brückenzweig 5 angeordneten Heizelements 6. Die Induktivität L und der ohmsche Widerstand R stellen in 1 also das Ersatzschaltbild des Heizelements 6 dar.
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Bei dem Heizelement 6 handelt es sich insbesondere um einen sogenannten Rohrheizkörper, bei welchem eine Heizwendel in einem rohrförmigen Außenkörper angeordnet ist. Das Heizelement 6 kann jedoch auch anders ausgebildet sein, solange es eine Induktivität L und einen ohmschen Widerstand R hat.
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Die in dem Brückenzweig 5 vorgesehene elektrische Kapazität wird durch einen Kondensator C gebildet, der in dem Brückenzweig 5 bzw. dessen Schwingkreis SK in Reihe zu dem Heizelement 6 geschaltet ist. Beispielhaft betragen die Induktivität L des Heizelements 5 µH, der ohmsche Widerstand des Heizelements 8 Ω und die elektrische Kapazität 200 nF. Mit der erfindungsmäßen elektrischen Heizvorrichtung 1 lässt sich die für Fahrzeuganwendungen übliche Heizleistung von 5 kW bis 8 kW verwirklichen, wobei ein handelsüblicher Rohrheizkörper als Heizelement 6 verwendet werden kann.
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Die Steuereinrichtung 8 weist ferner eine Ansteuereinrichtung 9 auf, die die Schaltelemente S1, S2, S3 und S4 der Brückenschaltung 3 und damit den Stromfluss durch den Brückenzweig 5 und das Heizelement 6 schaltet. Die Ansteuereinrichtung 9 kann dabei für jedes Schaltelement S1-S4 eine diesem zugeordnete Ansteuereinheit 9.1-9.4 aufweisen.
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Die Brückenschaltung 3 mit den vier Schaltelementen S1-S4 bildet einen Vierquadrantensteller. Die Ansteuereinrichtung 9 steuert die Schaltelemente S1-S4 vorzugsweise so, dass die Brückenschaltung 3 im sogenannten Tiefsetzsteller-Betrieb betrieben wird, bei welchem das Schaltelement S2 durchgeschaltet wird und das Schaltelement S1 mit einem PWM-Signal (PWM - Pulsweitenmodulation) gesteuert wird. Bei entgegengesetzter Polarität wird dann mittels der Ansteuerschaltung 9 das Schaltelement S3 durchgeschaltet und das Schaltelement S4 wird mit einem PWM-Signal gesteuert. Auf diese Weise wechselt/pulsiert der durch den Brückenzweig 5 und somit das Heizelement 6 fließende Strom zwischen einem positiven und einem negativen Stromwert. Wegen des im Brückenzweig 5 vorgesehenen Schwingkreises SK mit dessen Induktivität L (vom Heizelement 6) und dessen elektrischer Kapazität C hat der durch den Brückenzweig 5 fließende Brückenzweigstrom IR einen quasisinusförmigen Verlauf, wie er schematisch in 2a) dargestellt ist. Ein im Wesentlichen sinusförmiger Stromfluss durch das Heizelement 6 hat gegenüber einem z.B. trapezförmigen oder rechteckförmigen Stromverlauf den Vorteil von weniger Oberschwingungen und wirkt sich vorteilhaft auf die elektromagnetische Verträglichkeit aus.
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Vorzugsweise werden die Schaltelemente S1-S4 durch die Ansteuerschaltung 9 spannungslos geschaltet, d.h. genau dann geschaltet, wenn sich die über ihnen jeweils abfallende Spannung im Nulldurchgang befindet (sogenanntes Zero Volt Switching). Durch dieses Schalten im Nulldurchgang lassen sich vorteilhafterweise Schaltverluste vermeiden bzw. minimieren und die elektromagnetische Verträglichkeit der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung 1 weiter verbessern.
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Die Ansteuereinrichtung 9 steuert die Schaltelemente S1-S4 vorzugsweise so, dass sich für den Versorgungsstrom IHV (siehe die schematische Darstellung in 2b) die doppelte Frequenz des Brückenzweigstroms IR ergibt. Wenn zum Beispiel der Brückenzweigstrom IR eine Frequenz von 100 kHz hat, ergibt sich auf diese Weise eine Frequenz von 200 kHz für den Versorgungsstrom IHV . Der Versorgungsstrom IHV wird von dem im Bordnetz vorgesehenen Bordnetzfilter 7 gefiltert bzw. geglättet, was zu einem Bordnetzstrom IBN führt, bei dem es sich im Wesentlichen um einen Gleichstrom mit einer geringen Restwelligkeit handelt (siehe die schematische Darstellung in 2c), die jedoch gering genug ist, um andere an das Bordnetz angeschlossene Verbraucher nicht in ihrem Betrieb zu stören und die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen.
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Durch die erfindungsgemäße Heizvorrichtung 1 kann vorteilhafterweise die Frequenz des Versorgungsstroms IHV verdoppelt und somit der Filteraufwand für eine Reduktion der Welligkeit des Versorgungsstroms IHV verringert werden. Es kann also ein kleinerer und somit bauraumtechnisch und kostenmäßig günstigerer Bordnetzfilter 7 eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Heizvorrichtung
- 2
- Energiequelle, Batterie
- 3
- Brückenschaltung
- 3.1
- erster Brückenarm
- 3.2
- zweiter Brückenarm
- 4.1
- erster Knotenpunkt
- 4.2
- zweiter Knotenpunkt
- 5
- Brückenzweig, Lastkreis
- 6
- Heizelement
- 7
- Bordnetzfilter
- 8
- Steuereinrichtung
- 9
- Ansteuereinrichtung
- 9.1, 9.2, 9.3, 9.4
- Ansteuereinheiten
- S1, S2, S3, S4
- Schaltelemente
- IBN
- Bordnetzstrom
- IR
- Brückenzweigstrom
- IHV
- Versorgungsstrom
- C
- elektrische Kapazität, Kondensator
- L
- Induktivität
- R
- ohmscher Widerstand
- SK
- Schwingkreis
- t
- Zeit
- U_Batterie
- Versorgungsspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010060446 A1 [0004]
