DE29923543U1

DE29923543U1 - Electric heating

Info

Publication number: DE29923543U1
Application number: DE29923543U
Authority: DE
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2009-10-08

Description

Elektrische HeizungElectric heating

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Heizung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.The invention is based on an electric heater according to the type of the independent claim.

Heizgeräte für Kraftfahrzeuge bei dem als Wärmequellen die von einem Leistungshalbleiter erzeugte Wärme verwendet werden sind aus dem Stand der Technik bekannt. So wird in der WO 99/07185 eine elektrische Heizung für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei der als Wärmequelle die von Leistungshalbleitern erzeugte Wärme verwendet wird. Diese abgegebene Wärme wird direkt zum Heizen verwendet. Die Leistungshalbleiter werden über Regelschaltungen geregelt, um die Heizleistung kontinuierlich einstellen zu können. Die Wärme liefernden Leistungshalbleiter sind dabei entweder parallel geschaltet oder mehrere Stromzweige mit jeweils zwei in Reihe geschalteten und im Hochleistungsverlustbetrieb betriebenen Leistungshalbleiter parallel geschaltet. Die Regelung der Heizleistung wird nach diesem Stand der Technik einfach dadurch möglich, dass die Leistungshalbleiter mittels eines gemeinsam vorgebbaren Sollwertes und mittels von den Leistungshalbleitern abgeleiteten Istwerten in der abgegebenen Leistung individuell regelbar sind. Für diese individuelle Regelung wird eine komplexe Regelungsschaltung benötigt.Heating devices for motor vehicles in which the heat generated by a power semiconductor is used as a heat source are known from the prior art. For example, WO 99/07185 describes an electric heater for a motor vehicle in which the heat generated by power semiconductors is used as a heat source. This emitted heat is used directly for heating. The power semiconductors are controlled via control circuits in order to be able to continuously adjust the heating output. The power semiconductors that supply heat are either connected in parallel or several current branches, each with two power semiconductors connected in series and operated in high-power loss mode, are connected in parallel. According to this prior art, the heating output can be controlled simply by the fact that the power semiconductors can be individually controlled in terms of the output power using a jointly predeterminable setpoint and using actual values derived from the power semiconductors. A complex control circuit is required for this individual control.

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Ebenfalls aus dem Stand der Technik ist es bekannt die Heizungen als mehrstufige Systeme mit mehreren Heizwiderständen auszuführen. Die einzelnen Heizstufen sind dabei in einem flächigen Aufbau in räumlich getrennten Streifen, die jeweils einem Heizwiderstand entsprechen, angeordnet. Die Steuerung der Heizleistung wird durch Zuschalten beziehungsweise Abschalten der einzelnen Stufen realisiert. Dabei wird jede Stufe über ein Schaltmittel geschaltet. Die Regelung eines solchen Heizsystems erfolgt in diesem Fall durch Kombination der Stufen und deren Ein-/Ausschaltzustände. Durch die Schaltung der diskreten Heizstufen wird die Heizung nicht über die gesamte Fläche gleichmäßig erwärmt. Die zu erwärmende Luft, die die Heizelemente durchströmt, weißt kein homogenes Temperaturprofil auf. Wird die durchströmende Luft nach dem Durchströmen der Heizelemente nicht ausreichend gemischt oder sind einzelne Heizstufen den Luftkanälen zur Beheizung einzelner Fahrzeugbereiche zugeordnet, so kann es dazu führen, dass in einem Kraftfahrzeug ein Bereich der Fahrgastzelle geheizt, ein anderer jedoch mit kalter Luft versorgt wird.It is also known from the prior art to design heaters as multi-stage systems with several heating resistors. The individual heating stages are arranged in a flat structure in spatially separated strips, each of which corresponds to a heating resistor. The heating output is controlled by switching the individual stages on or off. Each stage is switched via a switching device. In this case, such a heating system is controlled by combining the stages and their on/off states. By switching the discrete heating stages, the heater is not heated evenly over the entire surface. The air to be heated, which flows through the heating elements, does not have a homogeneous temperature profile. If the air flowing through is not sufficiently mixed after flowing through the heating elements or if individual heating stages are assigned to the air ducts for heating individual vehicle areas, this can lead to one area of the passenger compartment in a motor vehicle being heated while another is supplied with cold air.

Die erfindungsgemäße elektrische Heizung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass eine Durchmischung der Luft bei nur teilweiser Aktivität einzelner Heizstufen unterbleiben kann. Dadurch wird der Aufwand beispielsweise für mechanische Bauteile zur Durchmischung reduziert. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Heizung eine gleichmäßige Benutzung aller Heizstufen gewährleistet, und so der Verschleiß auf alle vorhandenen Heizstufen und somit auf alle Heizwiderstände verteilt.The electric heater according to the invention with the characterizing features of the independent claim has the advantage that mixing of the air can be avoided when individual heating levels are only partially active. This reduces the effort required for mechanical components for mixing, for example. Furthermore, the heater according to the invention ensures that all heating levels are used evenly, and thus the wear is distributed across all existing heating levels and thus across all heating resistors.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen elektrischen Heizung möglich.The measures listed in the subclaims enable advantageous further developments and improvements of the electric heater specified in the independent claim.

Besonders vorteilhaft ist es, dass ein einfaches, konventionell erhältliches Regelungsverfahren wie die Pulsweitensteuerung eingesetzt wird.It is particularly advantageous that a simple, conventionally available control method such as pulse width control is used.

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Das bei der erfindungsgemäßen Heizung verwendete Verfahren zur Regelung einer elektrischen Heizung erlaubt es die Solltemperatur der zu beheizenden Zelle, beispielsweise einer Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs, auf einfache Weise zu regulieren. Mit Hilfe der Pulsweitensteuerung ist eine einfache kontinuierliche Steuerung von einer Ist-Temperatur zu einer Solltemperatur möglich. Die Pulsweitensteuerung ermöglicht dabei durch Einstellung der jeweiligen Dauer der Strompulse sowie der zeitlichen Abfolge der Strompulse eine flexible Ansteuerung der erfindungsgemäßen Heizung.The method used in the heating according to the invention for controlling an electric heater allows the target temperature of the cell to be heated, for example a passenger compartment of a motor vehicle, to be regulated in a simple manner. With the help of the pulse width control, a simple continuous control from an actual temperature to a target temperature is possible. The pulse width control enables flexible control of the heating according to the invention by setting the respective duration of the current pulses and the temporal sequence of the current pulses.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:An embodiment of the invention is shown in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:

Figur 1 schematisch den erfindungsgemäßen Aufbau einer Heizung, Figur 2 eine Pulsweitensteuerung bei geringer Heizleistung und Figur 3 eine Pulsweitensteuerung bei hoher Heizleistung.Figure 1 shows schematically the structure of a heater according to the invention, Figure 2 shows a pulse width control at low heating output and Figure 3 shows a pulse width control at high heating output.

In Figur 1 ist eine elektrische Heizung 1 schematisch dargestellt. Eine Regeleinrichtung 3 enthält Reglern. Die Regler 4 stehen jeweils mit einem Heizwiderstand 2 in Verbindung. Die Stufen sind dabei mit den römischen Ziffern I, II, III und IV bezeichnet. Der Ausgang der elektrischen Heizwiderstände 2 ist gegenüber der beheizten Zelle 5 offen. Die elektrischen Kontakte der Regeleinrichtung 3 sind nicht weiter dargestellt ebensowenig die Luftführungskanäle durch die Heizwiderstände 2.Figure 1 shows a schematic representation of an electric heater 1. A control device 3 contains regulators. The regulators 4 are each connected to a heating resistor 2. The stages are designated with the Roman numerals I, II, III and IV. The output of the electric heating resistors 2 is open to the heated cell 5. The electrical contacts of the control device 3 are not shown in any more detail, nor are the air ducts through the heating resistors 2.

Figur 2 zeigt wie durch eine Pulsweitenansteuerung der Regeleinrichtung 3 die Heizwiderstände 2 mit quasi stufenloser Leistung betrieben werden können. Die Frequenz der Pulsweitensteuerung ist so zu wählen, dass zu einem für die Erwärmung der Heizwiderstände 2 ein quasi stationärer Zustand erreicht wird, und zum anderen die Belastung des Generators speziell in einem Kraftfahrzeug keine spürbaren Schwankungen erreicht. Eine Schwankung im Bordnetz unterhalb der vom menschlichen Auge auflösbaren 40 Hz würde sich zum Beispiel in der Beleuchtung des Fahrzeuges bemerkbar machen. Mit einer Schaltfrequenz von circa 100 HzFigure 2 shows how the heating resistors 2 can be operated with virtually stepless power by means of a pulse width control of the control device 3. The frequency of the pulse width control must be selected so that, on the one hand, a quasi-stationary state is achieved for the heating of the heating resistors 2 and, on the other hand, the load on the generator does not reach any noticeable fluctuations, especially in a motor vehicle. A fluctuation in the vehicle network below the 40 Hz that can be resolved by the human eye would be noticeable, for example, in the lighting of the vehicle. With a switching frequency of around 100 Hz

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ist die Schwankung in der Spannung des Bordnetzes nicht mehr auflösbar und somit für den Menschen nicht mehr erkennbar. Um die Heizwiderstände 2 gleichmäßig zu erwärmen werden die einzelnen Stufen I, II, III, IV sequentiell eingeschaltet. Um die Schwankungen im Bordnetz gering zu halten wird die Schaltfrequenz von 100 Hz auf die Anzahl der Stufen heruntergeteilt. Im Beispiel der Figur 2 und der vier Heizwiderstände 2 werden die einzelnen Stufen mit jeweils 25 Hz getaktet. Dies reicht aus, um die Heizwiderstände in einen quasi stationären thermischen Zustand zu bringen, der einen optimalen Wirkungsgrad erlaubt. Die Einschaltdauer für jeden individuellen Heizwiderstand kann je nach Ansteuerleistung innerhalb des Zeitintervalls erfolgen, bis die nächste Stufe einschaltet.the fluctuation in the voltage of the vehicle electrical system can no longer be resolved and is therefore no longer recognizable by humans. In order to heat the heating resistors 2 evenly, the individual stages I, II, III, IV are switched on sequentially. In order to keep the fluctuations in the vehicle electrical system to a minimum, the switching frequency of 100 Hz is divided down to the number of stages. In the example of Figure 2 and the four heating resistors 2, the individual stages are each clocked at 25 Hz. This is sufficient to bring the heating resistors into a quasi-stationary thermal state, which allows for optimum efficiency. The duty cycle for each individual heating resistor can be within the time interval until the next stage switches on, depending on the control power.

In Figur 3 ist dargestellt, dass die Einschaltdauer der Stufen auch über den Einschaltpunkt der folgenden Stufen hinaus erstreckt werden kann. In jedem Fall wird der individuelle Heizwiderstand der Stufe außer bei maximaler Leistung vor dem Zeitpunkt der neuen Schaltsequenz dieser Stufe ausgeschaltet. Als Heizelemente werden vorzugsweise sogenannte PTC-(Positive Temperature Coefficient) Elemente eingesetzt, wie sie beispielsweise aus dem EP 0 895 440 A2 bekannt sind. PTC-Heizelemente, beispielsweise Thermistoren werden im Stand der Technik wie Heizgeräte eingesetzt. Diese Bauelemente haben den Vorteil, dass sie mit der Temperatur selbst regulierend sind und nicht überhitzt werden können. Gerade dieses positive Verhalten bei Beschämungen mit übernormal hohen Strömen macht ihren Einsatz in kompakten Heizgeräten beliebt. Für die erfindungsgemäße elektrische Heizung ist der Einsatz von PTC-Elementen besonders vorteilhaft. Die Elemente erreichen durch die getaktete Ansteuerung einen quasi stationären Zustand. Überschwingen der Regelung durch steile Pulsflanken werden im PTC-Element unterdrückt. Damit sind auch an die Auslegung der elektronischen Steuerung keine hohen Anforderungen gestellt.Figure 3 shows that the switch-on time of the stages can also be extended beyond the switch-on point of the following stages. In any case, the individual heating resistor of the stage is switched off before the time of the new switching sequence of this stage, except at maximum power. So-called PTC (positive temperature coefficient) elements are preferably used as heating elements, as known for example from EP 0 895 440 A2. PTC heating elements, for example thermistors, are used in the prior art like heaters. These components have the advantage that they regulate themselves with the temperature and cannot be overheated. It is precisely this positive behavior when exposed to abnormally high currents that makes their use in compact heaters popular. The use of PTC elements is particularly advantageous for the electric heater according to the invention. The elements reach a quasi-stationary state due to the clocked control. Overshoots in the control due to steep pulse edges are suppressed in the PTC element. This means that no high demands are placed on the design of the electronic control system.

Nach dem bei der erfindungsgemäßen Heizung verwendeten Verfahren wird zunächst einen Temperaturdifferenz zwischen der Solltemperatur und der Isttemperatur ermittelt. Diese Temperaturdifferenz stellt die RegelgrößeAccording to the method used in the heating system according to the invention, a temperature difference between the target temperature and the actual temperature is first determined. This temperature difference represents the controlled variable

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für die Pulsweitensteuerung dar. Ist die Differenz groß, wird eine hohe Heizleistung gefordert um den Ausgleich schnell zu erreichen. Die Pulsweitensteuerung regelt an den jeweiligen Heizwiderständen Strompulse mit großer Pulsdauer. Die Strompulse der einzelnen Heizwiderstände überlappen sich zeitlich, so daß eine integrale große Heizleistung resultiert. Es ist auch denkbar, ein Regelungssystem zu verwenden, in dem die Heizwiderstände im Fall größter Heizleistung mit einem kontinuierlichen Strom betrieben werden und nur bei Reduzierung der Heizleistung die Taktung des Stromes erfolgt.for the pulse width control. If the difference is large, a high heating power is required in order to quickly achieve the balance. The pulse width control regulates current pulses with a long pulse duration at the respective heating resistors. The current pulses of the individual heating resistors overlap in time, so that an integral high heating power results. It is also conceivable to use a control system in which the heating resistors are operated with a continuous current in the case of the highest heating power and the current is only pulsed when the heating power is reduced.

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Claims

1. Electric heater ( 1 ) with at least two electric heating resistors ( 2 ), the heating power of which can be cascaded by a control device ( 3 ), characterized in that
that the control device ( 3 ) has a controller ( 4 ) corresponding to the number of heating resistors ( 2 ),
which are each assigned to a heating resistor ( 2 ),
wherein the control device ( 3 ) supplies each controller ( 4 ) separately with a clocked pulsed current.

2. Electric heating according to claim 1, characterized in that the controllers ( 4 ) are controlled by a pulse width control of the control device ( 3 ).

3. Electric heating according to claim 1 or 2, characterized in that the current pulses to the respective controller ( 4 ) are shifted in time against each other.

4. Electric heater according to claim 3, characterized in that the current pulses on the respective controller ( 4 ) overlap with a time shift.

5. Electric heater according to claim 1, characterized in that the heating resistors are PTC elements.