EP3508029B1 - Elektrischer heizer und verfahren zum erkennen einer überhitzung eines solchen elektrischen heizers - Google Patents

Elektrischer heizer und verfahren zum erkennen einer überhitzung eines solchen elektrischen heizers Download PDF

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EP3508029B1
EP3508029B1 EP17758537.9A EP17758537A EP3508029B1 EP 3508029 B1 EP3508029 B1 EP 3508029B1 EP 17758537 A EP17758537 A EP 17758537A EP 3508029 B1 EP3508029 B1 EP 3508029B1
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EP
European Patent Office
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heating element
electric heater
overheating
current
peak value
Prior art date
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EP17758537.9A
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French (fr)
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EP3508029A1 (de
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Alexander Krämer
Rainer Heck
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DBK David and Baader GmbH
Original Assignee
DBK David and Baader GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H05B1/0236—Industrial applications for vehicles

Definitions

  • the present invention relates to an electric heater and a method for detecting overheating of such an electric heater.
  • Such heaters can be used, for example, in motor vehicles to heat up (warm up) the air in the passenger compartment and to warm up the battery, to preheat the cooling water in water-cooled engines, to preheat the spark plugs in self-igniting internal combustion engines, to heat up fuel, to thaw operating fluids such as windscreen or headlight cleaning fluid and the urea solution of an SCR catalytic converter etc. can be used.
  • Such heaters can be used in so-called white goods such as a tumble dryer or a washing machine.
  • heating circuits must be heated due to a lack of or only temporarily available heat sources, such as an internal combustion engine.
  • the heating circuits are typically water circuits or a water circulation system.
  • a control device is provided in the known heating devices, which can be a pulse width modulation (PWM) circuit, for example.
  • PWM pulse width modulation
  • a PWM drive circuit for heating elements is off WO 2017 / 140 783 A1 known.
  • Another such PWM circuit with two switching devices for driving a heating element is from WO 2011 / 086 184 A1 known.
  • the timer-controlled execution of a test routine is proposed, in which the two switching devices are controlled alternately. If a current is still detected when one of the two switching devices is activated, a short-circuit fault in the other switching device can be assumed.
  • an overcurrent detection circuit is proposed, which interrupts a current flow through the heating element in the event of a defect, in particular a short circuit, of the heating element.
  • the heater according to the invention for heating fluid streams has a heating element, a control device in the form of a pulse width modulation (PWM) circuit for controlling a heat output generated by the heating element, and an overheating detection device.
  • the heating element has an inductance that changes depending on the temperature.
  • the inductance preferably increases up to a limit temperature.
  • the overheating detection device is designed in such a way that it determines a peak value of the current flowing through the heating element, compares this peak value with a predefined limit value and, if the limit value is exceeded by the peak value of the derivative of the current flowing through the heating element, overheating of the electric heater or .of its heating element. Overheating can occur in particular if the electric heater is running dry, i.e. the fluid is not flowing around it in the event of a fault, for example. Dry running can also be detected by detecting overheating.
  • Detection of the current flowing through the heating element is also understood to mean the detection of a physical variable from which this current or its derivative can be derived, in particular a physical variable which is proportional to the current or its derivative. If the current flowing through the heating element is measured, for example, using a shunt resistor connected in series with the heating element, the physical variable is the voltage drop across the shunt resistor, which is proportional to the current flowing through the heating element.
  • More than one heating element can be provided, and the control device can be designed to control the heat output generated by more than one heating element. Accordingly, the Be configured overheating detection device to determine derivatives of the currents flowing through the plurality of heating elements and evaluate them, as explained above for a heating element, by comparing limit values with respect to overheating.
  • the heating element may have a resistance that may also vary with temperature.
  • the heating element preferably comprises a material whose relative permeability increases up to a limit temperature.
  • the increase in the relative permeability of the heating element with increasing temperature results in an increase in the inductance of the heating element with increasing temperature.
  • the heating element preferably consists of such a material.
  • the heating element particularly preferably comprises a ferromagnetic material.
  • Ferromagnetic material is characterized by a particularly high relative permeability of ⁇ r >> 1.
  • the heating element consists of such a ferromagnetic material.
  • Iron, nickel and/or cobalt for example, can be used as the ferromagnetic material.
  • Alloys which include iron, nickel and/or cobalt and have a relative permeability of ⁇ r>>1 are also suitable.
  • an alloy of iron, chromium and aluminum can be used.
  • the electric heater according to the invention is preferably designed as a tubular heating element which includes the heating element.
  • the heating element is preferably designed as a heating wire.
  • heating wires made from the above-mentioned materials in particular from alloys of iron, chromium and aluminum, it is advantageously a question of standard heating wires which are freely available on the market.
  • heating elements made of the above-mentioned materials essentially have no undesired start-up behavior, ie no undesired current peaks when starting up/heating up from the cold state. If the heater according to the invention, for example, with a voltage an on-board network of a vehicle supplied, therefore, an on-board network ripple when the electric heater starts up can be reduced and thus improved compared to heaters using PTC resistance heating wires. Furthermore, higher operating points can be achieved than when using PTC resistance heating wires. For example, when using a heating wire made from an alloy of iron, chromium and aluminum as the heating element, a maximum operating point of 1350°C can be achieved, which leads to a higher power density and a longer service life. Furthermore, heating elements made of the mentioned materials are characterized by minimal thermal capacity and inertia, which allows for quick detection of overheating.
  • the functional safety of the electric heater can be ensured by the overheating detection device of the electric heater according to the invention.
  • the overheating detection device determines whether the peak value of the derivative of the current of the heating element caused by the temperature-related change in inductance exceeds a permissible value, so that overheating of the electric heater is detected and appropriate measures such as switching off the electric heater heater can be initiated.
  • the sensor element advantageously corresponds to the heating element.
  • the heating element is not only used for heating, but also to detect overheating.
  • One component, namely the heating element, can thus be used for two different purposes.
  • the overheating detection device of the electric heater preferably comprises a current measuring device for measuring the current flowing through the heating element, a differentiator for determining a derivative of the current flowing through the heating element, a peak value detector for determining a peak value of the derivative of the through current flowing through the heating element; and comparison means for comparing the peak value of the derivative of the current flowing through the heating element with the predetermined limit value.
  • the overheating detection device is also preferably designed in such a way that it switches off the electric heater or initiates a shutdown when overheating is detected.
  • the comparison device can send a signal to the control device of the electric heater, which causes the control device to switch off the electric heater.
  • the current flowing through the heating element is also understood to be a physical variable from which this current can be derived, in particular a physical variable proportional to this current, such as a voltage drop across a shunt resistor connected in series with the heating element.
  • the overheating detection device can also include an amplifier.
  • a change in the peak value of the derivative of the current flowing through the heating element caused by a change in the inductance of the heating element is determined, the peak value of the derivative of the current flowing through the heating element with a prior compared to the defined limit value and overheating is detected when the previously defined limit value is exceeded. If overheating is detected, the electric heater is preferably switched off via its control device.
  • the current flowing through the heating element is preferably measured, its derivation formed, the peak value of the derivation of the current flowing through the heating element determined and the determined peak value compared with the previously defined limit value.
  • the current flowing through the heating element is also understood to mean a physical variable from which this current can be derived.
  • the electric heater 1 according to the invention is preferably designed as a water heater, as is provided, for example, in the circulation of an operating fluid, such as cooling water, in a vehicle.
  • the electric heater 1 is preferably designed as a tubular heater (RHK) or a cylindrical heater with a wire-shaped heating element 2 (cf. figure 2 ) educated.
  • a corresponding water heater is, for example, from DE 10 2010 060 446 A1 known to the applicant, so that reference can be made to the statements in this document with regard to the specific structure of the water heater.
  • the specific structure plays only a subordinate role, since different types of heaters can be configured and operated according to the invention.
  • the electric heater 1 is preferably a vehicle electrical system
  • the vehicle is supplied with voltage, the on-board voltage being in particular a high-voltage voltage used in a vehicle, which is typically between approx. 120 V and approx. 450 V.
  • the heating element 2 (and thus the electric heater 1) has an inductance L (also called inductance L_RHK), which increases with increasing temperature.
  • figure 1 shows an exemplary course of a temperature-dependent inductance of the electric heater 1 designed as a tubular heating element over the temperature. As in figure 1 shown, the inductance increases up to a limit temperature. The working range of the electric heater 1 according to the invention is below this limit temperature of its heating element 2.
  • FIG 2 shows an embodiment of the electric heater 1 according to the invention.
  • the electric heater 1 has a heating element 2 which has an inductance L_RHK and a resistance R_RHK connected in series.
  • the inductance L_RHK is temperature-dependent and increases as the temperature increases.
  • the heating element 2 is preferably made of ferromagnetic material with a relative permeability ⁇ r >> 1.
  • the heating element 2 is connected with one connection to a supply voltage U_HV, e.g. a voltage of an on-board network or a battery of a vehicle, and with the other connection via a switch SW1 to ground (in figure 2 : Reference potential "0") connected.
  • a diode D1 which serves as a freewheeling diode, is preferably connected in parallel with the series circuit made up of inductor L_RHK and resistor R_RHK. The cathode of the diode D1 is connected to the supply voltage U_HV.
  • the switch SW1 is in the form of a transistor circuit, for example, and its state is controlled via the control device 3 .
  • the switch SW1 can be part of the control device 3 .
  • current heating current Iheat
  • the switch SW1 is in the closed state
  • no current flows through the heating element 2.
  • the heat output generated by the heating element 2 can thus be controlled by the control device 3 .
  • the control device 3 is accordingly in the form of power electronics in the form of a pulse width modulation (PWM) circuit which, preferably at a constant frequency or period, controls the duty cycle of a rectangular pulse, i.e. the width of the pulses forming the rectangular pulse, the rectangular pulse being the input and control signal for the switch SW1.
  • PWM pulse width modulation
  • the electric heater 1 also includes an overheating detection device 4 for detecting overheating of the electric heater 1 or of its heating element 2 (see FIG figures 2 and 3a ).
  • the overheating detection device 4 preferably includes a current measuring device 5, a differentiator 6, a peak value detector 8 and a comparison device 9.
  • An amplifier 7, which is preferably connected between the differentiator 6 and the peak value detector 8, can also be provided.
  • the current measuring device 5 measures a current flowing through the heating element 2 .
  • the current measuring device 5 is preferably connected by a shunt resistor R_Shunt (R Shunt in Figure 3a )) which is connected in series with the heating element 2 and is connected between the switch SW1 and the ground 0.
  • the current flowing through the shunt resistor R_Shunt causes a voltage drop across it (voltage U shunt in figure 3 ), which is proportional to the current flowing through the heating element 2. This means that the voltage U shunt dropping across the shunt resistor R_Shunt is proportional to the current I heating flowing through the heating element 2 . If the inductance L_RHK of the heating element 2 changes due to temperature, then the current I heating flowing through the heating element 2 and thus the voltage U shunt dropping across the shunt resistor R_Shunt change accordingly.
  • the edge steepness of the current pulses of the current I heating depends on the size of the inductance L_RHK of the heating element 2, which in turn depends on the temperature is dependent. Accordingly, the edge steepness of the pulses of the voltage U shunt detected by the current measuring device 5 is dependent on the magnitude of the inductance L_RHK of the heating element 2 since the voltage U shunt is proportional to the current I heating flowing through the heating element 2 .
  • a measuring bridge circuit can be provided as the current measuring device 5, which measures the phase difference or the zero crossing of the current through the heating element.
  • the overheating detection device 4 has a differentiator 6 downstream of the current measuring device 5 .
  • the differentiator 6 determines the change in the current I heating or the voltage U shunt , which results in particular from a temperature-dependent change in the inductance L_RHK of the heating element 2 .
  • the differentiator 6 forms the derivation of the voltage U shunt , which is proportional to the derivation of the current I heating and which in figure 3 is denoted as U Diff .
  • the differentiator 6 can be designed, for example, as a high-pass circuit with a capacitor C1 and a resistor R1, with one connection of the capacitor C1 being connected to an unspecified node between the switch SW1 and the shunt resistor R_Shunt and the other connection of the capacitor C1 being connected to the resistor R1 is connected, which in turn is connected to its other terminal to ground.
  • the output voltage U Diff of the differentiator 6 is higher in absolute value than in the normal case due to the higher edge steepness of the voltage U Shunt in the event of an overheating error (see Figures 3b) and 3c )).
  • the differentiator is followed by an amplifier 7 which can be implemented by an operational amplifier 10 which is operated with a supply voltage VCC.
  • the operational amplifier 10 is preferably designed as a non-inverting amplifier, at the non-inverting input of which the output variable of the differentiator 6, ie the voltage U Diff , is present.
  • a voltage divider having resistors R2 and R3 connected in series is connected to the output of operational amplifier 10, the inverting input of operational amplifier 10 being connected between resistors R2 and R3.
  • the output voltage Uvers (U1A in figure 2 ) of the operational amplifier 10 (and of the amplifier 7) corresponds to the amplified output voltage U Diff of the differentiator 6, with the output voltage U Verst of the amplifier 7 being higher in magnitude in the event of an overheating error than in the normal case (see Figures 3b) and 3c )).
  • the amplifier 7 can be designed in such a way that it outputs only the positive pulse of one period of the output signal U Diff of the differentiator 6 as the output voltage Uverst.
  • the amplifier 7 is followed by a peak value detector 8 which determines the maximum derivative of the current I heating flowing through the heating element 2 during operation.
  • the peak value detector 8 determines the maximum value of the output voltage U gain of the amplifier 7, ie the peak value of the voltage U gain .
  • the peak value detector 8 has the output voltage U gain as an input signal.
  • the peak value detector 8 has a diode D2 for rectifying the output voltage U amplifier 7 , the anode of the diode D2 being connected to the output of the amplifier 7 and the cathode of the diode D1 being connected to a connection of a resistor R4 of the peak value detector 8 .
  • the other end of the resistor R4 is connected to one end of a capacitor C2 of the peak detector 8, the other end of which is grounded.
  • the voltage U peak dropping across the capacitor C2 corresponds to the peak value of the voltage Uverst after one period of the voltage Uverst.
  • the output voltage Uverst of the amplifier 7 ie the amplified output voltage U Diff of the differentiator 6
  • the output voltage U verst of the amplifier 7 in the normal case is greater than the output voltage U verst of the amplifier 7 in the normal case .
  • the output voltage US peak of the peak value detector 8 is greater than in the normal case (see Figures 3b) and 3c )).
  • the peak value detector 8 is followed by a comparison device 9, which is preferably formed by a microcontroller 11, which includes a working and program memory (not shown; hereinafter: memory).
  • the microcontroller 11 is connected between the resistor R4 and the capacitor C2 of the peak detector 8.
  • a previously defined limit value for overheating detection is stored in the memory, with which the output voltage U peak of the peak value detector 8 is compared.
  • the comparison device 9 or its microcontroller 11 carries out a signal evaluation of the output signal U peak of the peak value detector 8 in such a way that it compares the peak value voltage U peak with the previously defined limit value (in figure 3 : error threshold) compares.
  • the comparison can be carried out by a program stored in the memory of microcontroller 11 .
  • the limit value is defined in advance in such a way that exceeding the limit value means overheating of the electric heater 1 or of its heating element 2 . If the peak value U peak exceeds the previously defined limit value, the comparison device 9 (and thus the overheating detection device 4) determines that the electric heater 1 has overheated.
  • the comparison device 9 establishes that the electric heater 1 is in the normal state and there is no overheating. In the event of overheating, the comparison device 9 or its microcontroller 11 preferably controls the control device 3 of the electric heater 1 in such a way that it opens the switch SW1 and thus interrupts the power supply to the heating element 2 in order to ensure functional safety.
  • figure 4 shows a flowchart of a preferred exemplary embodiment of the method according to the invention for detecting overheating of an electric heater 1 according to the invention, as is shown by way of example in figure 2 is shown.
  • step 20 the current I heating flowing through the heating element 2 or a physical variable from which this current can be derived, such as the voltage U shunt across the shunt resistor R_Shunt (also: R shunt ) of the current measuring device 5, is measured using the current measuring device 5 of the overheating detection device 4 measured.
  • R_Shunt also: R shunt
  • step 21 the derivation of the current I heating is determined by means of a differentiator 6 of the overheating detection device 4.
  • step 22 the determined derivation of the current I.sub.heat is amplified by an amplifier 7 of the overheating detection device 4.
  • step 23 the peak value of the derivative of the current I heating determined in step 21 and amplified in step 22 is determined by means of a peak value detector 8 of the overheating detection device 4.
  • step 24 the ascertained peak value is compared with the limit value defined in advance using the comparison device 9 of the overheating detection device 4 . If the peak value exceeds the limit value, the comparison device 9 or the overheating detection device 4 determines in step 24 that the electric heater 1 is overheating.
  • the overheating detection device 4 transmits to the control device 3 of the electric heater 1 that overheating has occurred, whereupon the control device 3 opens the switch SW1 of the electric heater 1 and thus interrupts the power supply to the heating element 2.

Landscapes

  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)
  • Control Of Resistance Heating (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Heizer und ein Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines solchen elektrischen Heizers.
  • Derartige Heizer 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 selbstzünden 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 Heizungen in sogenannter Weißer Ware wie beispielsweise einem Wäschetrockner oder einer Waschmaschine eingesetzt werden.
  • Insbesondere in modernen Fahrzeugen, wie beispielsweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Brennstoffzellenfahrzeugen, welche in ihrem Bordnetz hohe elektrische Spannungen verwenden, müssen Heizkreisläufe aufgrund fehlender oder nur temporär verfügbarer Wärmequellen, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, erwärmt werden. Typischerweise handelt es sich bei den Heizkreisläufen um Wasserkreisläufe bzw. ein Wasserum laufsystem.
  • Da die Motorwärme bei derartigen modernen Fahrzeugen nicht oder nur begrenzt als ein Wärmelieferant zur Verfügung steht, werden typischerweise elektrische Heizer eingesetzt, welche einen PTC-Widerstandsdraht als Heizelement aufweisen (siehe beispielsweise die DE 10 2014 108 074 A1 oder die DE 10 2014 214 690 A1 ). Das Anlaufverhalten von PTC-Widerstandsdrähten bei niedrigen Temperaturen kennzeichnet sich jedoch oftmals durch unerwünschte hohe Stromspitzen aus, die um einen Faktor von 3,5 über dem der Temperatur gemäß Kennlinie zugehörigen Wert liegen können. Ferner liegt der maximal zulässige Arbeitspunkt in der Regel bei 600°C, sodass der durchschnittliche Arbeitspunkt etwa 400°C nicht überschreiten sollte, um die Lebensdauer des PTC-Widerstandsdrahtes nicht übermäßig zu verkürzen. Auch können in der Regel nur Heizdrähte aus speziellem Material (wie z.B. Nifethal®, einer Nickel-EisenLegierung) als PTC-Widerstandsdrähte eingesetzt werden.
  • Zum Steuern bzw. Regeln der von dem jeweiligen Heizelement erzeugten Wärmeleistung ist bei den bekannten Heizvorrichtungen eine Steuereinrichtung vorgesehen, bei der es sich z.B. um eine Pulsweitenmodulations-(PWM-) Schaltung handeln kann. Beispielsweise ist eine PWM-Ansteuerschaltung für Heizelemente aus WO 2017 / 140 783 A1 bekannt.
  • Eine weitere solche PWM-Schaltung mit zwei Schalteeinrichtungen zum Ansteuern eines Heizelements ist aus der WO 2011 / 086 184 A1 bekannt. Zum Ermitteln eines Defekts in einer der beiden Schalteinrichtungen wird die timergesteuerte Durchführung einer Prüfroutine vorgeschlagen, bei der die beiden Schalteinrichtungen wechselweise angesteuert werden. Wird bei Ansteuerung einer der beiden Schalteinrichtungen weiterhin ein Strom erfasst, kann von einem Kurzschlussfehler in der anderen Schalteinrichtunge ausgegangen werden. Ferner wird zum Erfassen eines Kurzschlusses in dem durch die Schalteinrichtungen angesteuerten Heizelement eine Überstrom-Erfassungsschaltung vorgeschlagen, die einen Stromfluss durch das Heizelement in Falle eines Defekts, insbesondere eines Kurzschlusses, des Heizelementes unterbricht.
  • Ausgehend von WO 2011 / 086 184 A1 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Heizer mit einer hohen Lebensdauer bereitzustellen, welcher eine hohe funktionale Sicherheit bietet und bei welchem insbesondere unerwünschtes Anlaufverhalten vermieden bzw. reduziert ist, wobei insbesondere ein schaltungstechnischer Aufwand zur Erkennung einer Überhitzung des Heizers bzw. dessen Heizelement verringert werden soll. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines derartigen elektrischen Heizers bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Heizer zum Erwärmen von Fluidströmen und ein Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines solchen elektrischen Heizers mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Der erfindungsgemäße Heizer zum Erwärmen von Fluidströmen, insbesondere von Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser oder Wasser-Glykol-Mischungen, weist ein Heizelement, eine Steuereinrichtung in Form einer Pulsweitenmodulations-(PWM-) Schaltung zum Steuern einer von dem Heizelement erzeugten Wärmeleistung und eine Überhitzungserkennungseinrichtung auf. Das Heizelement hat eine Induktivität, welche sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Vorzugsweise nimmt die Induktivität bis zu einer Grenztemperatur zu. Die Überhitzungserkennungseinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie einen Spitzenwert des durch das Heizelement fließenden Stroms ermittelt, diesen Spitzenwert mit einem vorab definierten/festgelegten Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten des Grenzwerts durch den Spitzenwert der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms eine Überhitzung des elektrischen Heizers bzw. von dessen Heizelement feststellen kann. Eine Überhitzung kann insbesondere dann auftreten, wenn der elektrische Heizer trockenläuft, d.h. zum Beispiel in einem Fehlerfall nicht von dem Fluid umströmt wird. Durch das Erkennen einer Überhitzung kann somit auch ein Trockenlauf erkannt werden.
  • Unter einer Erfassung des durch das Heizelement fließenden Stroms sei auch das Erfassen einer physikalischen Größe verstanden, aus welcher dieser Strom bzw. dessen Ableitung herleitbar sind, insbesondere einer physikalischen Größe, welche zu dem Strom bzw. dessen Ableitung proportional ist. Wird der durch das Heizelement fließende Strom beispielsweise mittels eines zu dem Heizelement in Reihe geschalteten Shunt-Widerstandes gemessen, so handelt es sich bei der physikalischen Größe um die über dem Shunt-Widerstand abfallende Spannung, die proportional zu dem durch das Heizelement fließenden Strom ist.
  • Es kann mehr als ein Heizelement vorgesehen sein, und die Steuereinrichtung kann zur Steuerung der von mehr als einem Heizelement erzeugten Wärmeleistung ausgestaltet sein. Entsprechend kann die Überhitzungserkennungseinrichtung ausgestaltet sein, Ableitungen der durch die mehreren Heizelemente fließenden Ströme zu ermitteln und diese, wie oben für ein Heizelement erläutert, durch Grenzwertvergleich bezüglich einer Überhitzung auszuwerten.
  • Zusätzlich zu der sich mit der Temperatur ändernden Induktivität kann das Heizelement einen Widerstand aufweisen, der sich ebenfalls mit der Temperatur ändern kann.
  • Das Heizelement umfasst vorzugsweise ein Material, dessen relative Permeabilität bis zu einer Grenztemperatur zunimmt. Die Zunahme der relativen Permeabilität des Heizelements mit steigender Temperatur hat eine Zunahme der Induktivität des Heizelements mit steigender Temperatur zur Folge. Bevorzugt besteht das Heizelement aus einem solchen Material.
  • Besonders bevorzugt umfasst das Heizelement ein ferromagnetisches Material. Ferromagnetisches Material zeichnet sich durch eine besonders hohe relative Permeabilität von µr >> 1 aus. Vorzugsweise besteht das Heizelement aus einem solchen ferromagnetischen Material. Als ferromagnetisches Material kommen zum Beispiel Eisen, Nickel und/oder Cobalt in Frage. Ebenso sind Legierungen, welche Eisen, Nickel und/oder Cobalt umfassen, mit einer relativen Permeabilität von µr >> 1 geeignet. Insbesondere kann eine Legierung aus Eisen, Chrom und Aluminium eingesetzt werden.
  • Der erfindungsgemäße elektrische Heizer ist vorzugsweise als Rohrheizkörper ausgestaltet, welcher das Heizelement umfasst. Das Heizelement ist vorzugsweise als Heizdraht ausgebildet. Bei Heizdrähten aus den oben genannten Materialen, insbesondere aus Legierungen aus Eisen, Chrom und Aluminium, handelt es sich vorteilhafterweise um Standardheizdrähte, welche frei auf dem Markt erhältlich sind.
  • Heizelemente aus den oben genannten Materialien weisen vorteilhafterweise im Wesentlichen kein unerwünschtes Anlaufverhalten, d.h. keine unerwünschten Stromspitzen beim Anlaufen/Erwärmen aus dem kalten Zustand auf. Wird der erfindungsgemäße Heizer beispielsweise mit einer Spannung aus einem Bordnetz eines Fahrzeugs versorgt, kann daher eine Bordnetzwelligkeit beim Anlaufen des elektrischen Heizers im Vergleich zu PTC-Widerstandsheizdrähte verwendenden Heizern reduziert und somit verbessert werden. Ferner können höhere Arbeitspunkte als bei dem Einsatz von PTC-Widerstandheizdrähten erzielt werden. So kann beispielsweise bei einem Einsatz von einem Heizdraht aus einer Legierung aus Eisen, Chrom und Aluminium als Heizelement ein maximaler Arbeitspunkt von 1350°C erzielt werden, was zu einer höheren Leistungsdichte und einer längeren Lebensdauer führt. Weiter kennzeichnen sich Heizelemente aus den genannten Materialen durch eine minimale thermische Kapazität und Trägheit aus, was eine schnelle Erkennung einer Überhitzung ermöglicht.
  • Durch die Überhitzungserkennungseinrichtung des erfindungsgemäßen elektrischen Heizers kann die funktionale Sicherheit des elektrischen Heizers sichergestellt werden. Durch Vergleich mit einem vorab definierten/festgelegten Grenzwert ermittelt die Überhitzungserkennungseinrichtung, ob der durch die temperaturbedingte Änderung der Induktivität hervorgerufene Spitzenwert der Ableitung des Stroms des Heizelements einen zulässigen Wert überschreitet, sodass eine Überhitzung des elektrischen Heizers erkannt wird und entsprechende Maßnahmen wie ein Abschalten des elektrischen Heizers eingeleitet werden können.
  • Vorteilhafterweise entspricht bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Heizer das Sensorelement dem Heizelement. D.h. das Heizelement wird nicht nur zum Erwärmen eingesetzt, sondern auch zum Erkennen einer Überhitzung. Ein Bauteil, nämlich das Heizelement, kann somit für zwei unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden.
  • Die Überhitzungserkennungseinrichtung des erfindungsgemäßen elektrischen Heizers umfasst vorzugsweise eine Strommesseinrichtung zum Messen des durch das Heizelement fließenden Stroms, einen Differenzierer zur Ermittlung einer Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms, einen Spitzenwertdetektor zum Ermitteln eines Spitzenwertes der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms und eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Spitzenwerts der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms mit dem vorab definierten Grenzwert. Die Überhitzungserkennungseinrichtung ist ferner vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie beim Erkennen einer Überhitzung den elektrischen Heizer abschaltet oder eine Abschaltung einleitet. Hierzu kann die Vergleichseinrichtung ein Signal an die Steuereinrichtung des elektrischen Heizers senden, welches die Steuereinrichtung veranlasst, den elektrischen Heizer abzuschalten. Wie oben beschrieben wird unter dem durch das Heizelement fließenden Strom auch eine physikalische Größe verstanden, von welcher dieser Strom herleitbar ist, insbesondere eine zu diesem Strom proportionale physikalische Größe wie beispielsweise eine über einem zu dem Heizelement in Reihe geschalteten Shunt-Widerstand abfallende Spannung. Die Überhitzungserkennungseinrichtung kann außerdem einen Verstärker umfassen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines elektrischen Heizers gemäß der Erfindung wird eine von einer Änderung der Induktivität des Heizelements verursachte Änderung des Spitzenwertes der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms ermittelt, der Spitzenwert der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms mit einem vorab definierten Grenzwert verglichen und bei Überschreiten des vorab definierten Grenzwerts eine Überhitzung festgestellt. Vorzugsweise wird bei Feststellen einer Überhitzung der elektrische Heizer über dessen Steuereinrichtung ausgeschaltet.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise der durch das Heizelement fließende Strom gemessen, dessen Ableitung gebildet, , der Spitzenwert der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms ermittelt und der ermittelte Spitzenwert mit dem vorab definierten Grenzwert verglichen. Wie oben erläutert, wird unter dem durch das Heizelement fließenden Strom auch eine physikalische Größe verstanden, von welcher dieser Strom herleitbar ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
    • Fig. 1 einen beispielhaften Verlauf einer Induktivität eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizers bzw. von dessen Heizelement in Abhängigkeit von der Temperatur,
    • Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizers,
    • Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Überhitzungserkennungseinrichtung eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizers (Fig. 3a)), schematische Kurvenverläufe der in der Überhitzungserkennungseinrichtung auftretenden physikalischen Größen über der Zeit im Falle einer Überhitzung (Fig. 3b)) und schematische Kurvenverläufe der gleichen in der Überhitzungserkennungseinrichtung auftretenden physikalischen Größen wie in Fig. 3b) im Normalzustand (Fig. 3c)) und
    • Fig. 4 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen einer Überhitzung eines elektrischen Heizers gemäß der Erfindung.
  • In den Figuren angegebene Maßangaben sind rein beispielhafter Natur.
  • Der erfindungsgemäße elektrische Heizer 1, wie er in der weiter unten beschriebenen Figur 2 dargestellt ist, ist vorzugsweise als Wasserheizer ausgestaltet, wie er z.B. in dem Umlauf eines Betriebsfluids, beispielsweise von Kühlwasser, in einem Fahrzeug vorgesehen ist. Der elektrische Heizer 1 ist hierfür vorzugsweise als Rohrheizkörper (RHK) oder zylinderförmiger Heizkörper mit einem drahtförmigen Heizelement 2 (vgl. Figur 2) ausgebildet. Ein entsprechender Wasserheizer ist beispielsweise aus der DE 10 2010 060 446 A1 der Anmelderin bekannt, sodass im Hinblick auf den konkreten Aufbau des Wasserheizers auf die Ausführungen in dieser Druckschrift verwiesen werden kann. Für das Verständnis der vorliegenden Erfindung spielt jedoch der konkrete Aufbau nur eine untergeordnete Rolle, da unterschiedliche Heizertypen gemäß der Erfindung ausgestaltet und betrieben werden können.
  • Der elektrische Heizer 1 wird vorzugsweise aus einem Bordnetz eines Fahrzeugs mit Spannung versorgt, wobei es sich bei der Bordnetzspannung insbesondere um eine in einem Fahrzeug eingesetzte Hochvoltspannung handelt, die typischerweise zwischen ca. 120 V und ca. 450 V liegt. Das Heizelement 2 (und somit der elektrische Heizer 1) hat eine Induktivität L (auch Induktivität L_RHK genannt), die mit steigender Temperatur zunimmt.
  • Figur 1 zeigt einen beispielhaften Verlauf einer temperaturabhängigen Induktivität des als Rohrheizkörper ausgestalteten elektrischen Heizers 1 über der Temperatur. Wie in Figur 1 dargestellt, nimmt die Induktivität bis zu einer Grenztemperatur zu. Der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen elektrischen Heizers 1 liegt unterhalb dieser Grenztemperatur von dessen Heizelement 2.
  • Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des elektrischen Heizers 1 gemäß der Erfindung. Der elektrische Heizer 1 weist ein Heizelement 2 auf, welches eine Induktivität L_RHK und einen Widerstand R_RHK in Reihenschaltung hat. Die Induktivität L_RHK ist temperaturabhängig und steigt mit Zunahme der Temperatur an. Hierfür ist das Heizelement 2 vorzugsweise aus ferromagnetischem Material mit einer relativen Permeabilität µr >> 1.
  • Das Heizelement 2 ist mit einem Anschluss an ein Versorgungsspannung U_HV, z.B. eine Spannung eines Bordnetzes oder einer Batterie eines Fahrzeugs, und mit dem anderen Anschluss über einen Schalter SW1 an Masse (in Figur 2: Bezugspotential "0") angeschlossen. Der Reihenschaltung aus Induktivität L_RHK und Widerstand R_RHK ist vorzugsweise eine Diode D1 parallel geschaltet, die als Freilaufdiode dient. Die Kathode der Diode D1 ist dabei an die Versorgungsspannung U_HV angeschlossen.
  • Der Schalter SW1 ist beispielsweise als Transistorschaltung ausgebildet, und dessen Zustand wird über die Steuereinrichtung 3 gesteuert. Der Schalter SW1 kann Teil der Steuereinrichtung 3 sein. Ist der Schalter SW1 im geschlossenen Zustand, so fließt Strom (Heizstrom IHeiz) durch das Heizelement 2 und das Heizelement 2 erzeugt Wärme. Ist der Schalter SW1 im offenen Zustand, so fließt kein Strom durch das Heizelement 2. Über das Verhältnis zwischen der Zeitdauer des geschlossenen Zustands des Schalters SW1 und der Zeitdauer des offenen Zustands des Schalters SW1 kann somit die von dem Heizelement 2 erzeugte Wärmeleistung durch die Steuereinrichtung 3 gesteuert werden. Die Steuereinrichtung 3 ist dementsprechend als Leistungselektronik in Form einer Pulsweitenmodulations-(PWM-)Schaltung ausgebildet, welche bei vorzugsweise konstanter Frequenz bzw. Periodendauer den Tastgrad eines Rechteckpulses, d.h. die Breite der den Rechteckpuls bildenden Pulse steuert, wobei der Rechteckpuls das Eingangs- und Steuersignal für den Schalter SW1 bildet.
  • Der erfindungsgemäße elektrische Heizer 1 umfasst ferner eine Überhitzungserkennungseinrichtung 4 zum Erkennen einer Überhitzung des elektrischen Heizers 1 bzw. von dessen Heizelement 2 (siehe Figuren 2 und 3a). Die Überhitzungserkennungseinrichtung 4 umfasst vorzugsweise eine Strommesseinrichtung 5, einen Differenzierer 6, einen Spitzenwertdetektor 8 und eine Vergleichseinrichtung 9. Ferner kann ein Verstärker 7 vorgesehen sein, der bevorzugt zwischen den Differenzierer 6 und den Spitzenwertdetektor 8 geschaltet ist.
  • Die Strommesseinrichtung 5 misst einen durch das Heizelement 2 fließenden Strom. Die Strommesseinrichtung 5 ist vorzugsweise durch einen Shunt-Widerstand R_Shunt (RShunt in Figur 3a)) gebildet, welcher in Reihe mit dem Heizelement 2 geschaltet ist und zwischen dem Schalter SW1 und der Masse 0 angeschlossen ist. Der durch den Shunt-Widerstand R_Shunt fließende Strom verursacht an diesem einen Spannungsabfall (Spannung UShunt in Figur 3), welcher proportional zu dem durch das Heizelement 2 fließenden Strom ist. D.h. die an dem Shunt-Widerstand R_Shunt abfallende Spannung UShunt ist proportional zu dem durch das Heizelement 2 fließenden Strom IHeiz. Ändert sich temperaturbedingt die Induktivität L_RHK des Heizelements 2, so ändert sich entsprechend der durch das Heizelement 2 fließenden Strom IHeiz und somit die über dem Shunt-Widerstand R_Shunt abfallende Spannung UShunt.
  • Bei einem pulsweitenmodulierten Stromfluss durch das Heizelement 2 ist die Flankensteilheit der Strompulse des Stroms IHeiz von der Größe der Induktivität L_RHK des Heizelements 2 abhängig, welche wiederum von der Temperatur abhängig ist. Entsprechend ist die Flankensteilheit der von der Strommesseinrichtung 5 erfassten Pulse der Spannung UShunt von der Größe der Induktivität L_RHK des Heizelements 2 abhängig, da die Spannung UShunt proportional zu dem durch das Heizelement 2 fließenden Strom IHeiz ist. Wird der erfindungsgemäße Heizer 1 mit einer Wechselspannung versorgt, wie beispielsweise bei einer Verwendung in sogenannter Weißer Ware, so kann als Strommesseinrichtung 5 eine Messbrückenschaltung vorgesehen sein, welche den Phasenunterschied oder den Nulldurchgang des Stroms durch das Heizelement misst.
  • Da im Fehlerfall bei einer Überhitzung die Induktivität L_RHK des Heizelements 2 niedriger als im Normalfall ohne Überhitzung ist, ist dementsprechend die Flankensteilheit des Stroms IHeiz bzw. der Spannung UShunt im Fehlerfall einer Überhitzung höher als im Normalfall, wie in Figuren 3b) und 3c) dargestellt.
  • Der Strommesseinrichtung 5 nachgeschaltet weist die Überhitzungserkennungseinrichtung 4 einen Differenzierer 6 auf. Der Differenzierer 6 ermittelt die Änderung des Stroms IHeiz bzw. der Spannung UShunt, welche insbesondere aus einer temperaturabhängigen Änderung der Induktivität L_RHK des Heizelements 2 folgt. Der Differenzierer 6 bildet dazu die Ableitung der Spannung UShunt, welche proportional zu der Ableitung des Stroms IHeiz ist und welche in Figur 3 als UDiff bezeichnet ist. Der Differenzierer 6 kann beispielsweise als Hochpassschaltung mit einem Kondensator C1 und einem Widerstand R1 ausgebildet sein, wobei ein Anschluss des Kondensators C1 an einen nicht näher bezeichneten Knotenpunkt zwischen dem Schalter SW1 und dem Shunt-Widerstand R_Shunt und der andere Anschluss des Kondensators C1 an den Widerstand R1 angeschlossen ist, welcher wiederum mit dessen anderem Anschluss an Masse angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung UDiff des Differenzierers 6 ist wegen der höheren Flankensteilheit der Spannung UShunt im Fehlerfall einer Überhitzung betragsmäßig höher als im Normalfall (siehe Figuren 3b) und 3c)).
  • Insbesondere um eine bessere Signalauflösung zu erreichen, ist dem Differenzierer ein Verstärker 7 nachgeschaltet, welcher durch einen Operationsverstärker 10 realisiert sein kann, der mit einer Versorgungsspannung VCC betrieben wird. Der Operationsverstärker 10 ist vorzugsweise als nichtinvertierender Verstärker ausgebildet, an dessen nichtinvertierendem Eingang die Ausgangsgröße des Differenzierers 6, d.h. die Spannung UDiff, anliegt. An den Ausgang des Operationsverstärkers 10 ist ein Spannungsteiler mit den in Reihe geschalteten Widerständen R2 und R3 angeschlossen, wobei der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 10 zwischen den Widerständen R2 und R3 angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung Uverst (U1A in Figur 2) des Operationsverstärkers 10 (und des Verstärkers 7) entspricht der verstärkten Ausgangsspannung UDiff des Differenzierers 6, wobei die Ausgangsspannung UVerst des Verstärkers 7 im Fehlerfall einer Überhitzung betragsmäßig höher ist als im Normalfall (siehe Figuren 3b) und 3c)). Der Verstärker 7 kann derart ausgestaltet sein, dass er als Ausgangsspannung Uverst nur den positiven Puls einer Periode des Ausgangssignals UDiff des Differenzierers 6 ausgibt.
  • Dem Verstärker 7 ist ein Spitzenwertdetektor 8 nachgeschaltet, welcher die maximale Ableitung, des durch das Heizelement 2 fließenden Stroms IHeiz während des Betriebs ermittelt. Insbesondere ermittelt der Spitzenwertdetektor 8 den maximalen Wert der Ausgangsspannung UVerst des Verstärkers 7, d.h. den Spitzenwert der Spannung UVerst. Der Spitzenwertdetektor 8 hat die Ausgangsspannung UVerst als Eingangssignal. Der Spitzenwertdetektor 8 weist eine Diode D2 zur Gleichrichtung des Ausgangsspannung UVerst des Verstärkers 7 auf, wobei die Anode der Diode D2 an den Ausgang des Verstärkers 7 und die Kathode der Diode D1 an einen Anschluss eines Widerstand R4 des Spitzenwertdetektors 8 angeschlossen ist. Der andere Anschluss des Widerstands R4 ist an einen Anschluss eines Kondensators C2 des Spitzenwertdetektors 8 angeschlossen, dessen anderer Anschluss an Masse liegt. Die über dem Kondensator C2 abfallende Spannung USpitze entspricht dem Spitzenwert der Spannung Uverst nach einer Periode der Spannung Uverst.
  • Für den Fehlerfall einer Überhitzung ist die Ausgangsspannung Uverst des Verstärkers 7 (d.h. die verstärkte Ausgangsspannung UDiff des Differenzierers 6), welche der verstärkten Flankensteilheit des durch das Heizelement 2 fließenden Stroms IHeiz entspricht, größer als die Ausgangsspannung UVerst des Verstärkers 7 im Normalfall. Dementsprechend ist die Ausgangsspannung USpitze des Spitzenwertdetektors 8 bei einer Überhitzung größer als im Normalfall (siehe Figuren 3b) und 3c)).
  • Dem Spitzenwertdetektor 8 ist eine Vergleichseinrichtung 9 nachgeschaltet, die vorzugsweise durch einen Mikrocontroller 11 gebildet wird, welcher einen Arbeits- und Programmspeicher (nicht dargestellt; im Folgenden: Speicher) umfasst. Der Mikrocontroller 11 ist zwischen dem Widerstand R4 und dem Kondensator C2 des Spitzenwertdetektors 8 angeschlossen. In dem Speicher ist ein vorab definierter Grenzwert für eine Überhitzungserkennung hinterlegt, mit welchem die Ausgangsspannung USpitze des Spitzenwertdetektors 8 verglichen wird.
  • Die Vergleichseinrichtung 9 bzw. deren Mikrocontroller 11 führt dahingehend eine Signalauswertung des Ausgangssignals USpitze des Spitzenwertdetektors 8 durch, dass sie die Spitzenwertspannung USpitze mit dem vorab definierten Grenzwert (in Figur 3: Fehlerschwelle) vergleicht. Der Vergleich kann durch ein in dem Speicher des Mikrocontrollers 11 hinterlegtes Programm durchgeführt werden. Der Grenzwert ist derart vorab definiert, dass ein Überschreiten des Grenzwerts eine Überhitzung des elektrischen Heizers 1 bzw. von dessen Heizelement 2 bedeutet. Überschreitet der Spitzenwert USpitze den vorab definierten Grenzwert, so stellt die Vergleichseinrichtung 9 (und somit die Überhitzungserkennungseinrichtung 4) eine Überhitzung des elektrischen Heizers 1 fest. Liegt der Spitzenwert USpitze unter dem Grenzwert oder ist der Spitzenwert USpitze gleich dem Grenzwert, so stellt die Vergleichseinrichtung 9 fest, dass sich der elektrische Heizer 1 im Normalzustand befindet und keine Überhitzung vorliegt. Im Falle der Überhitzung steuert die Vergleichseinrichtung 9 bzw. deren Mikrocontroller 11 die Steuereinrichtung 3 des elektrischen Heizers 1 bevorzugt derart an, dass sie den Schalter SW1 öffnet und somit die Stromversorgung des Heizelements 2 unterbricht, um die funktionale Sicherheit sicherzustellen.
  • Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen einer Überhitzung eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizers 1, wie er beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist. In Schritt 20 wird der durch das Heizelement 2 fließende Strom IHeiz bzw. eine physikalische Größe, aus welcher dieser Strom herleitbar ist, wie die Spannung UShunt über dem Shunt-Widerstand R_Shunt (auch: RShunt) der Strommesseinrichtung 5, mittels der Strommesseinrichtung 5 der Überhitzungserkennungseinrichtung 4 gemessen.
  • In dem sich an Schritt 20 anschließenden Schritt 21 wird die Ableitung des Stroms IHeiz mittels eines Differenzierers 6 der Überhitzungserkennungseinrichtung 4 ermittelt. Im sich anschließenden Schritt 22 wird die ermittelte Ableitung des Stroms IHeiz durch einen Verstärker 7 der Überhitzungserkennungseinrichtung 4 verstärkt.
  • Im folgenden Schritt 23 wird der Spitzenwert der in Schritt 21 ermittelten und in Schritt 22 verstärkten Ableitung des Stroms IHeiz mittels eines Spitzenwertdetektors 8 der Überhitzungserkennungseinrichtung 4 ermittelt. In Schritt 24 wird der ermittelte Spitzenwert mit dem vorab definierten Grenzwert mit Hilfe der Vergleichseinrichtung 9 der Überhitzungserkennungseinrichtung 4 verglichen. Überschreitet der Spitzenwert den Grenzwert, so stellt die Vergleichseinrichtung 9 bzw. die Überhitzungserkennungseinrichtung 4 in Schritt 24 fest, dass eine Überhitzung des elektrischen Heizers 1 vorliegt.
  • Im sich anschließenden Schritt 25 übermittelt die Überhitzungserkennungseinrichtung 4 der Steuereinrichtung 3 des elektrischen Heizers 1, dass eine Überhitzung vorliegt, woraufhin die Steuereinrichtung 3 den Schalter SW1 des elektrischen Heizers 1 öffnet und damit die Stromversorgung des Heizelements 2 unterbricht.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrischer Heizer
    2
    Heizelement
    3
    Steuereinrichtung
    4
    Überhitzungserkennungseinrichtung
    5
    Messeinrichtung
    6
    Differenzierer
    7
    Verstärker
    8
    Spitzenwertdetektor
    9
    Vergleichseinrichtung
    10
    Operationsverstärker
    11
    Mikrocontroller
    20, 21, 22, 23, 24, 25
    Verfahrensschritte
    C1, C2
    Kondensatoren
    D1, D2
    Dioden
    IHeiz
    durch das Heizelement fließender Strom
    L_RHK
    Induktivität des Heizelements
    R1, R2, R3, R4
    Widerstände
    R_RHK
    Widerstand des Heizelements
    R_Shunt, RShunt
    Shunt-Widerstand
    SW1
    Schalter
    t
    Zeit
    U_HV, VCC
    Versorgungsspannungen
    UShunt
    Ausgangsspannung der Messeinrichtung
    UDiff
    Ausgangsspannung des Differenzierers
    UVerst
    Ausgangsspannung des Verstärkers
    USpitze
    Ausgangsspannung des Spitzenwertdetektor

Claims (9)

  1. Elektrischer Heizer zum Erwärmen von Fluidströmen mit einem Heizelement (2) und einer Steuereinrichtung (3) in Form einer Pulsweitenmodulations-(PWM-) Schaltung zum Steuern einer von dem Heizelement (2) erzeugten Wärmeleistung, wobei das Heizelement (2) eine Induktivität (L_RHK) hat, welche sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, so dass sich eine Flankensteilheit von Strompulsen eines durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (IHeiz) ändert,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Überhitzungserkennungseinrichtung (4) vorgesehen ist, die einen Spitzenwert einer Ableitung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (IHeiz) ermittelt, diesen Spitzenwert mit einem vorab definierten Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten des Grenzwerts eine Überhitzung des elektrischen Heizers (1) feststellt.
  2. Elektrischer Heizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Überhitzungserkennungseinrichtung (4) ausgestaltet ist, dass sie bei Feststellen einer Überhitzung des elektrischen Heizers (1) den elektrischen Heizer (1) ausschaltet.
  3. Elektrischer Heizer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Induktivität (L_RHK) des Heizelements (2) bis zu einer Grenztemperatur zunimmt.
  4. Elektrischer Heizer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Heizelement (2) ein Material umfasst, dessen relative Permeabilität bis zu einer Grenztemperatur zunimmt.
  5. Elektrischer Heizer nach Anspruch 4, wobei das Heizelement (2) ein ferromagnetisches Material umfasst.
  6. Elektrischer Heizer nach Anspruch 5, wobei das Heizelement (2) als Material Eisen, Nickel oder Cobalt oder eine Eisen, Nickel und/oder Cobalt aufweisende Legierung umfasst.
  7. Elektrischer Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überhitzungserkennungseinrichtung (4) eine Strommesseinrichtung (5), einen Differenzierer (6) zur Ermittlung einer Ableitung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (IHeiz), einen Spitzenwertdetektor (8) zum Ermitteln eines Spitzenwerts der Ableitung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (IHeiz) und eine Vergleichseinrichtung (9) zum Vergleichen des Spitzenwerts mit dem vorab definierten Grenzwert umfasst.
  8. Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines elektrischen Heizers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
    - Messen eines durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (IHeiz),
    - Ermitteln eines Spitzenwerts einer Ableitung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (IHeiz),
    - Vergleichen des Spitzenwerts mit einem vorab definierten Grenzwert und
    - Feststellen einer Überhitzung des elektrischen Heizers (1) bei einem Überschreiten des vorab definierten Grenzwerts.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei
    bei Feststellen einer Überhitzung des elektrischen Heizers (1) der elektrische Heizer (1) ausgeschaltet wird.
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