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Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Heizeinrichtung.
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Elektrische Heizeinrichtungen finden in modernen Kraftfahrzeugen vielerlei Anwendung. Solche herkömmliche elektrische Heizeinrichtungen umfassen typischerweise ein oder mehrere elektrische Heizelemente, die bei elektrischer Bestromung Wärme an ihre Umgebung abgeben.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Heizeinrichtung zu schaffen, die sich durch eine verbesserte Betriebssicherheit auszeichnet. Insbesondere soll eine elektrische Heizeinrichtung bereitgestellt werden, die einen verbesserten Schutz gegen unerwünschte elektrische Spannungsspitzen besitzt.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, eine elektrische Heizeinrichtung mit einer elektrischen Parallelschaltung, die einen ersten und einen zweiten elektrischen Zweig, die parallel zueinander geschaltet sind, auszustatten. Im ersten elektrischen Zweige ist dabei ein elektrisches Heizelement angeordnet, welches bei elektrischer Bestromung Wärme erzeugt. Im zweiten elektrischen Zweig ist eine elektrische Halbleiter-Diode angeordnet.
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Da das Heizelement eine elektrische Induktivität L aufweist, wird bei einer Änderung des elektrischen Stroms I durch das Heizelement in diesem eine elektrische Induktionsspannung Ulnd gemäß dem Induktionsgesetz Ulnd = - L * dl/dt induziert. Die Induktionsspannung Ulnd besitzt dabei die umgekehrte Polarität einer elektrischen Versorgungsspannung UVer zum Erzeugen des elektrischen Heizstroms I durch das Heizelement.
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Da bei entsprechend ausreichend hoher elektrischer Stromänderung dl /dt und entsprechend hoher Induktivität L des Heizelements eine sehr große Induktionsspannung Ulnd im Heizelement induziert werden kann, besteht die Gefahr einer Beschädigung des Heizelements, der Elektronikeinheit oder der kompletten Heizenrichtung bis hin zur vollständigen Zerstörung.
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Dem wirkt die erfindungswesentliche Halbleiter-Diode entgegen, die im Falle einer am Heizelement induzierten Induktionsspannung von einem elektrisch sperrenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand übergeht. Somit fließt durch die Halbleiter-Diode ein elektrischer Strom in Durchlassrichtung, welcher eine Reduzierung der im Heizelement induzierten elektrischen Induktionsspannung bewirkt.
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Auf diese Weise kann unerwünschten elektrischen Spannungsspitzen im Heizelement entgegengewirkt werden. Im Idealfall kann sogar sichergestellt werden, dass die am Heizelement abfallende elektrische Spannung einen maximal zulässigen Spannungswert, bei dessen Überschreitung eine Beschädigung oder Zerstörung des Heizelements drohen würde, nicht erreicht wird. Dadurch wiederum wird die Betriebssicherheit der Heizeinrichtung verbessert.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Heizeinrichtung umfasst wenigstens ein elektrisch bestrombares und bei elektrischer Bestromung Heizwärme an die Umgebung abgebendes Heizelement. Als elektrisches Heizelement ist vorliegend jedwedes elektrisches Bauteil zu verstehen, welches dessen funktionale Bestimmung darin besteht, im Betrieb, also bei elektrischer Bestromung, gezielt Heizwärme zu erzeugen und abzugeben, wobei diese als Heiz- bzw. Nutzwärme genutzt wird.
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Nicht gemeint sind hingegen elektrische Komponenten, die nicht dem primären Zweck der Erzeugung von Heizwärme dienen, jedoch im Betrieb Energie dissipieren und somit - eigentlich unerwünschte - Abwärme erzeugen.
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Beim hier beschriebenen elektrischen Heizelement kann es sich um ein Heizregister, um eine Heizwendel um einen elektrischen Heizwiderstand dergleichen handeln.
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Es versteht sich, dass auch zwei oder mehr solche elektrische Heizelemente vorgesehen sein können, die dann elektrisch parallel oder in Reihe zueinander geschaltet sein können. Auch eine Kombination aus elektrischer Reihen- und Parallelschaltung ist bei Bereitstellung wenigstens dreier solcher Heizelemente denkbar.
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Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Heizeinrichtung eine elektrische Parallelschaltung, bevorzugt mit einem ersten elektrischen Zweig und einem zweiten elektrischen Zweig, der elektrisch parallel zum ersten elektrischen Zweig angeordnet ist, wobei dann die voranstehend erläuterten Heizelemente dem ersten elektrischen Zweig der Parallelschaltung zugeordnet sind.
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Erfindungsgemäß umfasst die Heizeinrichtung eine elektrische Halbleiter-Diode, welche zur Minderung oder gar Unterdrückung einer in oder an dem Heizelement induzierten elektrischen (Induktions-)Spannung im zweiten Zweig der elektrischen Parallelschaltung - und somit elektrisch parallel zu dem wenigsten elektrischen Heizelement angeordnet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Parallelschaltung einen elektrischen Plus-Anschluss und einen elektrischen Minus-Anschluss, zwischen welchen - elektrisch verbunden mit diesen beiden Anschlüssen - ein erster elektrischer Zweig und ein zweiter elektrischer Zweig angeordnet sind. Bei dieser Weiterbildung ist der zweite elektrische Zweig elektrisch parallel zum ersten elektrischen Zweig , bevorzugt mit einem ersten Zweigende, mit dem Plus-Anschluss und, bevorzugt mit einem zweiten Zweigende, mit dem Minus-Anschluss elektrisch verbunden. Entsprechend ist auch der zweite elektrische Zweig, bevorzugt mit einem ersten Zweigende, mit dem Plus-Anschluss und, bevorzugt mit einem zweiten Zweigende, mit dem Minus-Anschluss elektrisch verbunden.
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Bei dieser Weiterbildung sind das wenigstens eine Heizelement im ersten elektrischen Zweig und die wenigstens einen Halbleiter-Diode im zweiten elektrischen Zweig angeordnet. Eine solche elektronische Schaltungsanordnung ist besonders einfach und somit kostengünstig zu realisieren und ermöglicht darüber hinaus einen einfachen Anschluss des Heizelements und Halbleiter-Diode an eine - interne oder externe - elektrische Spannungsversorgung.
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Zweckmäßig ist die wenigstens eine Halbleiter-Diode in Sperrrichtung zwischen dem Plus-Anschluss und dem Minus-Anschluss angeordnet. Dies bedeutet, dass der Dioden-Plus-Anschluss elektrisch mit dem Minus-Anschluss der Parallelschaltung und der Dioden-Minus-Anschluss elektrisch mit dem Plus-Anschluss der Parallelschaltung verbunden ist.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist in der Parallelschaltung, bevorzugt im ersten Zweig, - elektrisch parallel zum wenigstens einen elektrischen Heizelement und elektrisch in Reihe zur wenigstens einen Halbleiter-Diode - ein ohmscher Widerstand angeordnet. Auf diese Weise kann einer Überlastung der Halbleiter-Diode entgegengewirkt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Halbleiter-Diode einen Halbleiter-Halbleiter-Kontakt oder einen Metall-Halbleiter. Für den Fall, dass ein Halbleiter-Halbleiter-Kontakt verwendet werden soll, empfiehlt sich als Materialsystem Silizium oder Silizium-Germanium, Galiumarsenid, oder Siliziumcarbid sodass die Halbleiter-Diode als Silizium-Diode bzw. Silizium-Germanium-Diode ausgebildet sein kann. Für den Fall, dass ein Halbleiter bestehen-Metall-Kontakt verwendet werden soll, kann ebenfalls Lithium als Halbleiter in Kombination mit einem geeigneten Metall verwendet werden, um eine Schottky-Diode auszubilden.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die wenigstens eine Halbleiter-Diode als Zenerdiode ausgebildet. Eine solche Zenerdiode wird im Bereich ihrer elektrischen Durchbruchspannung betrieben und kann außerdem dazu verwendet werden, elektrischen Spannungsspitzen mit derselben Polarität wie die elektrische Versorgungsspannung entgegenzuwirken.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind in der Parallelschaltung elektrisch parallel zum wenigstens einen elektrischen Heizelement und elektrisch in Reihe zueinander zwei Zenerdioden angeordnet. Bei dieser Weiterbildung ist eine Erste der beiden Zenerdioden in Sperrrichtung und eine Zweite der beiden Zenerdioden in Durchlassrichtung zwischen dem Plus-Anschluss und dem Minus-Anschluss angeordnet. Dadurch kann durch Induktion erzeugten Spannungsspitzen mit nicht nur einer, sondern beiden Polaritäten entgegengewirkt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Heizeinrichtung eine elektrische Spannungsquelle mit einem Versorgungs-Plusanschluss und mit einem Versorgungs-Minusanschluss zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsspannung zwischen dem Versorgungs-Plusanschluss und dem Versorgungs-Minusanschluss Bei dieser Variante ist der Versorgungs-Plusanschluss elektrisch mit dem Plus-Anschluss der Parallelschaltung verbunden und der Versorgungs-Minusanschluss elektrisch mit dem Minus-Anschluss der Parallelschaltung verbunden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst oder ist das wenigstens eine Heizelement ein Heizregister oder eine Heizwendel oder ein Dickschichtwiderstand-Heizmodul („TFR“).
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit wenigstens einer Fahrzeugkomponente, die mittels der voranstehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Heizeinrichtung beheizt werden kann. Die voranstehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug,
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung in schaltplanartiger Darstellung mit einer Silizium-Diode,
- 2 eine Variante des Beispiels der 1 mit einer Zenerdiode,
- 3 eine Weiterbildung des Beispiels der 2 mit zwei Zener-Dioden.
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1 illustriert in schaltplanartiger Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrische Heizeinrichtung 1 für ein Kraftfahrzeug.
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Die Heizeinrichtung 1 umfasst eine durch elektrische Leitungsfade gebildete elektrische Parallelschaltung 3. Alle in 1 gezeigten elektrischen Leitungspfade 15 können durch beispielsweise durch entsprechende Leiterbahnen auf einer Leiterplatte realisiert sein. Die Parallelschaltung 3 umfasst gemäß 1 einen elektrischen Plus-Anschluss 5a und einen elektrischen Minus-Anschluss 5b, die über einen ersten elektrischen Zweig 10a und - elektrisch parallel zu diesem - mit über einen zweiten elektrischen Zweig 10b elektrisch mit einander verbunden sind.
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Der zweite elektrische Zweig 10b ist elektrisch parallel zum ersten elektrischen Zweig 10a mit dem Plus-Anschluss 5a und dem Minus-Anschluss 5b verbunden. Hierzu sind die beiden ersten Zweigenden 11 a der beiden Zweige 10a, 10b elektrisch miteinander und mit dem Plus-Anschluss 5a verbunden. Ebenso sind die beiden zweiten Zweigenden 11b der beiden Zweige 10a, 10b elektrisch miteinander und dem Minus-Anschluss 5b verbunden. elektrische Heizelement 2 ist im ersten elektrischen Zweig 10a angeordnet.
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Die Heizeinrichtung 1 umfasst ein elektrisch bestrombares und bei elektrischer Bestromung Heizwärme abgebenden Heizelement 2. Das Heizelement 2 ist im ersten elektrischen Zweig 10a angeordnet. Das Heizelement 2 kann ein Heizregister oder eine Heizwendel oder ein Dickschichtwiderstand-Heizmodul sein. Das Heizelement 2 weist - zumindest in Abhängigkeit verschiedener Betriebzustände wie Schaltfrequenz, Flankensteilheit sowie Betriebstemperatur - eine Induktivität L > 0 auf.
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Die Heizeinrichtung 1 umfasst ferner eine elektrisch parallel zum Heizelement 2 angeordnete Halbleiter-Diode 4 zur Minderung oder Unterdrückung von in oder am Heizelement 2 induzierten elektrischen Spannungsspitzen. Die Halbleiter-Diode 4 ist im zweiten elektrischen Zweig 10b angeordnet. Die Halbleiter-Diode 4 kann als Silizium-Diode oder als Schottky-Diode ausgebildet sein. Die Halbleiter-Diode 4 kann hierzu einen Halbleiter-Halbleiter-Kontakt oder einen Metall-Halbleiter-Kontakt umfassen.
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Die Halbleiter-Diode 4 weist in herkömmlicher Weise einen Dioden-Plus-Anschluss 12a und einen Dioden-Minus-Anschluss 12b auf und ist derart ausgebildet ist, dass sie einen elektrischen Stromfluss in Durchlassrichtung DR, also vom Dioden-Plus-Anschluss 12a zum Dioden-Minus-Anschluss 12b, zulässt und einen elektrischen Stromfluss vom Dioden-Minus-Anschluss 12b zum Dioden-Plus-Anschluss 12a, also in Sperrrichtung SR, blockiert.
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Die Halbleiter-Diode 4 ist in Sperrrichtung SR zwischen dem Plus-Anschluss 5a und dem Minus-Anschluss 5b angeordnet. Somit ist der Dioden-Plus-Anschluss 12a elektrisch dem Minus-Anschluss 5b zugeordnet und der Dioden-Minus-Anschluss 12 elektrisch dem Plus-Anschluss 5a zugeordnet. Der elektrische Heizstrom I kann somit im nominellen Betrieb der Heizeinrichtung 1 nur durch den ersten elektrischen Zweig 10a mit dem Heizelement 2 fließen, nicht aber durch den zweiten elektrischen Zweig 10b mit der sperrenden Halbleiter-Diode 4.
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Die Heizeinrichtung 1 kann optional eine (integrierte) elektrische Spannungsquelle 8 mit einem Versorgungs-Plusanschluss 9a und mit einem Versorgungs-Minusanschluss 9b zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsspannung UVers zwischen dem Versorgungs-Plusanschluss 9a und einem Versorgungs-Minusanschluss 9b umfassen.
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In dieser Variante ist der Versorgungs-Plusanschluss 9a elektrisch mit dem Plus-Anschluss 5a der Parallelschaltung 3 verbunden. Entsprechend ist der Versorgungs-Minusanschluss 9b elektrisch mit dem Minus-Anschluss 5b der Parallelschaltung 3 verbunden. Bei ordnungsgemäßem Anschluss der Spannungsquelle 8 an die beiden Anschlüsse 5a, 5b ist das elektrische Potential am Plusanschluss 5a größer als am Minus-Anschluss 5b. Auf diese Weise wird ein elektrischer (Heiz-)Strom I erzeugt, der vom Plus-Anschluss 5a zum Minus-Anschluss 5b fließt.
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Da das Heizelement 2 eine elektrische Induktivität L aufweist, wird bei einer Änderung des elektrischen Stroms I durch das Heizelement 2 dem Induktionsgesetz Ulnd = - L * dl/dt folgend am Heizelement 2 eine elektrische Induktionsspannung Ulnd induziert.
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Die Induktionsspannung Ulnd besitzt dabei die entgegengesetzte Polarität wie die elektrische Versorgungsspannung UVers. Da bei entsprechend hoher Stromänderung dl /dt und entsprechend hoher Induktivität L des Heizelements 2 eine sehr große Induktionsspannung Ulnd am Heizelement 2 induziert werden kann, besteht die Gefahr einer Beschädigung des Heizelement 2 bis hin zur vollständigen Zerstörung.
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Dem wirkt die Halbleiter-Diode 4 entgegen, die aufgrund der am Heizelement 2induzierten Induktionsspannung Ulnd in einen elektrisch leitenden Zustand übergeht. Somit kann durch die Halbleiter-Diode in Durchlassrichtung DR ein elektrischer Ausgleichsstrom I* fließen, welcher eine Reduzierung der elektrischen I Induktionsspannung Ulnd bewirkt. Somit kann unerwünschten elektrischen Spannungsspitzen entgegengewirkt werden.
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Im Idealfall kann erreicht werden, dass die am Heizelement 2 abfallende elektrische Spannung einen maximal zulässigen Spannungswert, bei dessen Überschreitung welchem eine Beschädigung oder Zerstörung des Heizelements 2 drohen würde, nicht erreicht wird. Auf diese Weise wird die Betriebssicherheit der gesamten Heizeinrichtung 1 verbessert.
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Im Beispiel der 1 ist im zweiten Zweig 10b der Parallelschaltung 3, also elektrisch parallel zum elektrischen Heizelement 2 des ersten Zweigs 10a und elektrisch in Reihe zur Halbleiter-Diode 4 und somit zwischen den beiden Zweigenden 11a, 11b des zweiten Zweigs 10b ein ohmscher Widerstand 6 angeordnet. Auf diese Weise kann einer Überlastung der Halbleiter-Diode 4 entgegengewirkt werden. Auf diesen ohmschen Widerstand 6 kann in einer vereinfachten Variante auch verzichtet sein.
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Die 2 illustriert eine Variante der Schaltungsanordnung 1 der 1 im Bereich des zweiten Zweigs 5b. Demnach kann die Halbleiter-Diode 4 auch als Zenerdiode 7 ausgebildet sein. Auch im Beispiel der 2 kann optional der in 1 gezeigte ohmscher Widerstand 6 vorgesehen sein (in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen),
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3 zeigt eine Weiterbildung der Variante gemäß 2. Im Beispiel der 3 ist im zweiten Zweig 10b nicht nur eine einzige Zenerdiode 7 angeordnet. Vielmehr sind elektrisch in Reihe zueinander als Halbleiter-Dioden 4 zwei Zenerdioden 7a, 7b angeordnet.
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Dabei ist eine Erste 7a der beiden Zenerdioden in Sperrrichtung SR und eine Zweite 7b der beiden Zenerdioden in Durchlassrichtung DR zwischen dem Plus-Anschluss 5a und dem Minus-Anschluss 5b angeordnet. Auch im Beispiel der 3 kann optional der in 1 gezeigte ohmscher Widerstand 6 vorgesehen sein (in 3. aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen).
