KR101490259B1 - 전기 히터, 전기 히터를 포함하는 차량 및 전기 히터를 제어하기 위한 방법 - Google Patents

전기 히터, 전기 히터를 포함하는 차량 및 전기 히터를 제어하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 제 2 저항 가열 장치(14; 132), 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및/또는 제 2 저항 가열 장치(14; 132)의 펄스 폭 변조된 작동을 할 수 있는 적어도 하나의 펄스 폭 변조 장치(52; 120, 126), 및 적어도 하나의 스위칭 장치(16, 17, 20, 21; 112, 122)를 포함하는 전기 히터에 관한 것이다. 히터 작동을 위하여, 스위칭 장치는 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 제 2 저항 가열 장치(14; 132)가 전기적으로 직렬로 연결되는 제 1 가열 방식, 및 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 제 2 저항 가열 장치(14; 132)가 전기적으로 병렬로 연결되는 제 2 가열 방식 사이에서 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 제 2 저항 가열 장치(14; 132)를 선택적으로 스위칭할 수 있다. 본 발명은 또한 전기 히터(10; 100)를 포함하는 차량뿐만 아니라 전기 히터(10; 100)를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

전기 히터, 전기 히터를 포함하는 차량 및 전기 히터를 제어하기 위한 방법{ELECTRICAL HEATER, VEHICLE HAVING AN ELECTRICAL HEATER AND METHOD FOR CONTROLLING AN ELECTRICAL HEATER}
본 발명은 전기 히터뿐만 아니라 전기 히터를 포함하는 차량 및 전기 히터를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
현대 차량에서 흔히 엔진 독립 차량 히터들 또는 보조 가열 시스템들이 사용된다. 많은 경우에 있어서, 그러한 가열 시스템들에 차량의 연료를 태우기 위하여 버너(burner)가 구비된다. 점점 빈번하게 발생하는 연료 없이 작동되는 전기 차량에 있어서 그러한 엔진 독립 또는 보조 가열 시스템들은 사용될 수 없는데 그 이유는 전기 차량은 일반적으로 어떠한 연료도 지니지 않고, 가열 시스템을 위하여 독점적으로 연료 탱크를 제공하는 것이 불합리하기 때문이다. 대신에, 전기적으로 작동되는 가열 시스템이 전기 차량에 제공된다. 그러나, 전기 히터는 또한 예를 들면, 연료를 절약하기 위하여 내연기관을 갖는 차량에서의 사용을 위하여 제공될 수 있다. 작동 중에, 전기 히터들은 그것의 가열 소자들에 공급되는 가열 전압의 변동에 민감하게 반응한다. 다른 한편으로, 전기 히터들은 자체로 고성능 요구사항들을 갖는 소비자인데 따라서 예를 들면, 펄스된 히터 작동은 전압 공급의 안정성 상에 부정적인 효과를 갖는다. 예를 들면, 가열 시스템이 연결된 전기적 네트워크를 가로질러 확산할 수 있는 전기 히터에서 리플 전류(ripple current)들이 발생할 수 있다.
다양한 공급 전압들 또는 변동하는 공급 전압들의 경우에 있어서도 효율적으로 그리고 안정적으로 제어될 수 있는 전기 히터를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 목적은 독립항들의 특징들에 의해 해결된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시 예들 및 개발들이 종속항들로부터 자명해질 것이다.
본 발명의 설명의 테두리 내에서, 전기 히터는 직접적으로 또는 간접적으로 매체 또는 볼륨을 가열하기 위하여 전력을 열로 전환하는 가열 시스템인 것으로 이해되어야 한다. 그러한 매체는 가스와 같은 유체, 예를 들면, 공기 또는 물과 같은 액체일 수 있다. 전기 히터는 특히, 예를 들면, 전기 차량과 같은 차량을 위한 이동식 배치를 위하여 제공된다. 전력을 열로 전환하기 위하여, 예를 들면, 저항 가열 장치(resistance heating device)가 사용될 수 있다. 저항 가열 장치는 하나 또는 그 이상의 전기 저항기 또는 가열 소자들을 포함할 수 있다. 전기 전류가 그것을 통하여 흐를 때 열을 발생시키는 전기 저항기는 가열 저항기(heating resistor) 또는 가열 소자로 여겨진다. 저항 가열 시스템의 그러한 가열 저항기는 일반적으로 라인 저항과 비교하여 높은 저항값이 제공된다. 가열 저항기는 예를 들면, 코일에 감긴 전도 와이어 또는 가열 와이어로서 형성될 수 있다. 저항 가열 시스템은 대부분 또는 주요 부분에서 그것에 의해 발생되는 열이 하나 또는 그 이상의 전기 저항기에 의해 발생되는 것을 특징으로 한다. 특히, 저항 가열 시스템에 의해 변환되는 전력은 실질적으로 또는 대부분 열로 전환된다는 것이 고려될 수 있다. 저항 가열 시스템이 저항값 또는 열을 발생시키거나 매체를 가열하는데 효과적인 전기 저항 또는 가열하기 위하여 제공되는 볼륨은 가열 저항값으로서 언급될 수 있다. 그러한 저항 가열 시스템 또는 가열 저항기는 특히 금속 및/또는 전도성 물질을 포함하거나 이들로 제조될 수 있다. 물질은 실질적으로 온도에 따라 선형으로 증가하는 전기 저항을 가질 수 있다. 특히 가열 저항기 또는 저항 가열 시스템이 포지스터(posistor) 물질을 포함하거나 이로 제조되는 것이 합리적일 수 있다. 물질은 비-세라믹이다. 전압원 또는 전류원은 전기 히터를 위한 가열 전압 또는 가열 전류를 제공할 수 있다. 특히 차량, 특히 전기 차량의 내장(on-board) 네트워크는 가열 전압의 전압원의 역할을 한다. 가열 전압 또는 공급 전압은 직류 전압일 수 있다. 전력을 열로 전환하기 위한 하나 또는 그 이상의 저항 가열 시스템 또는 가열 저항기에 적용되는 전압은 가열 전압 또는 공급 전압으로 고려될 수 있다. 전압 공급은 공칭 전압(nominal voltage)을 제공할 수 있다. 전압 공급에 최대 전압을 제공하는 것이 고려될 수 있다. 이러한 최대 전압은 공칭 전압과 동일할 수 있거나 그것을 약간, 특히 1%, 5%, 7%, 10% 또는 20% 초과할 수 있다. 공칭 전압은 250V, 400V, 500V, 550V, 600V 또는 650V에 이르거나 이를 초과할 수 있다. 여기서 언급된 전압 값들, 특히 임계값(threshold value)들은 전압들의 총 값으로 간주될 수 있다. 따라서, 일반적으로, -250V의 전압은 -50V의 전압만큼 큰 것으로 간주될 수 있는데 그 이유는 총계가 더 크기 때문이다. 전압 값이 임계값 이하 또는 이상인지는 예를 들면, 전압 값의 관련 변화가 존재하는지를 검사함으로써 입증될 수 있다. 예를 들면, 만일 사용 중에, 소비자의 연결에 의해 공칭 전압 아래로의 전압의 강하가 발생하면, 공급 전압이 일시적으로 일정하지 않게 되는 것이 실현 가능하다. 전기 히터는 펄스 폭 변조 방식으로 작동될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 전기 히터 및/또는 저항 가열 시스템 또는 전기 히터의 저항 가열 시스템들은 그것들이 하나 또는 그 이상의 펄스 제어 신호에 따라 작동되도록 펄스 폭 변조 장치를 통하여 제어될 수 있다. 특히, 저항 가열 시스템 또는 가열 저항기를 통한 전류 흐름이 발생할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 예를 들면, 트랜지스터가 펄스 제어 신호에 따라 저항 가열 시스템을 통한 전류 흐름을 허용할 수 있다. 그러한 트랜지스터는 예를 들면, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT) 또는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 갖는 양극성 트랜지스터 혹은 다른 디자인의 트랜지스터일 수 있다. 펄스 폭 변조 장치는 서로 다르거나 동일한 펄스 제어 신호들에 의해 제어될 수 있는 하나 또는 그 이상의 트랜지스터를 포함할 수 있다. 펄스 제어 신호는 주기적일 수 있다. 이는 기간 당 하나 또는 그 이상의 제로 사이클을 가질 수 있다. 펄스 제어 신호가 실질적으로 직사각형 신호인 것이 실현 가능하다. 서로 다른 펄스 제어 신호들은 특히 그것들의 위상들에 대하여 서로 다르다. 펄스 폭 변조의 측정값으로서 퍼센트 값이 표시될 수 있다. 이 경우에 있어서, 퍼센트 값은 펄스 제어 신호가 저항 가열 시스템 또는 가열 저항기를 통한 전류 흐름을 허용하는 기간 또는 시간 프레임의 일부를 설명할 수 있다. 이러한 연결에 있어서 일시적으로 일정한 신호가 100%의 펄스 폭 변조를 갖는 신호로서 간주될 수 있다. 펄스 폭 변조 장치는 관련 펄스 제어 신호가 적용되지 않으면 하나 또는 그 이상의 관련 저항 가열 시스템을 통한 전류 흐름을 허용하지 않는다는 사실이 고려될 수 있다. 만일 펄스 제어 신호가 미리 결정된 진폭 또는 미리 결정된 진폭 양을 갖거나 또는 이를 초과하면 전류 흐름을 허용하기 위한 펄스 제어 신호가 적용된다는 것이 가정될 수 있다. 전기 히터는 특정 출력 범위 내의 가열 출력을 제공하도록 디자인될 수 있다. 특히, 전기 히터는 최대 가열 출력을 위하여 디자인될 수 있다. 최대 가열 출력은 예를 들면, 3000W, 4000W, 5000W, 6000W, 또는 7000W이거나 이를 초과하는 것이 합리적일 수 있다. 전기 히터는 그것의 가열 출력에 대하여 조정가능할 수 있다. 바람직하거나 또는 요구되는 가열 출력이 조정가능한 것이 고려될 수 있다. 이를 위하여 바람직한 가열 출력을 설정하기 위한 설정 장치가 제공될 수 있다. 트랜지스터와 같은 스위칭 소자들을 위하여 일반적으로 만일 제어 신호 또는 스위칭 신호가 그것들을 통한 특정 전류 흐름을 허용하기 위하여 적용되면 그것들은 "온(on)" 상태에 있을 것이라는 사실이 적용된다. 트랜지스터를 위하여 이는 특히 트랜지스터의 입력 및 출력을 통한 전류 흐름을 허용하기 위하여 제어 신호가 제어 입력(게이트)에 적용된다는 것을 의미할 수 있다. 전자기 스위치들을 위하여 스위칭 신호 또는 제어 신호는 바람직한 스위치 위치를 달성하도록 코일과 같은 솔레노이드(solenoid)로서 작용할 수 있다.
적어도 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치를 포함하는 전기 히터가 설명된다. 전기 히터는 제 1 저항 가열 장치 및/또는 제 2 저항 가열 장치의 펄스 폭 변조 작동이 가능한 적어도 하나의 펄스 변조 장치뿐만 아니라 적어도 하나의 스위칭 장치를 포함한다. 스위칭 장치는 히터 작동을 위하여, 제 1 저항 가열 장치와 제 2 저항 가열 장치가 직렬로 연결되는 제 1 가열 방식 및 제 1 저항 가열 장치와 제 2 저항 가열 장치가 병렬로 연결되는 제 2 가열 방식 사이에서 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치를 선택적으로 스위칭할 수 있다. 따라서, 가열 방식에 따라, 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치는 그에 알맞게 전기 히터의 가열 성능의 효과를 갖는 서로 다른 전체 가열 저항들을 제공한다. 제 1 및/또는 제 2 가열 방식에서 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치는 가열 전류가 그것들을 통하여 흐르거나 흐를 수 있도록 하기 위하여 펄스 폭 변조 장치에 따라 전압 공급에 전도성으로 연결될 수 있다. 제 2 가열 방식에서, 만일 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치가 전기적으로 병렬로 연결되면, 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치가 전기적으로 직렬로 연결된 제 1 가열 방식보다 가열 시스템을 위하여 전부 낮은 전체 가열 저항이 발생할 것이다. 설명된 배치 때문에 적은 설치 공간을 요구할 가열 시스템의 더 조밀한 구조가 보장된다. 전기 히터는 또한 일시적으로 조정가능한 공급 전압의 경우에 효율적으로 작동될 수 있다. 특히, 서로 다른 가열 방식은 서로 다르게 요구되는 히터 용량들 및 다양한 공급 전압들에 대한 히터 작동의 조정을 가능하게 하는데 따라서 히터 용량의 향상된 제어는 펄스 폭 변조에 기인한다. 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치의 가열 저항값은 실질적으로 동일하거나 또는 다르게 디자인될 수 있다. 동일한 가열 저항값들의 경우에 전기 히터의 특히 단순한 처리 및 제어가 달성될 수 있다. 저항 가열 장치, 특히 저항 가열 장치의 가열 저항기들은 가열되려는 매체와 접촉할 수 있다. 매체는 예를 들면 공기와 같은 유체 혹은 예를 들면, 물과 같은 액체일 수 있다. 가열되려는 매체와의 접촉을 위하여 제공되는 저항 가열 장치의 가열 저항기들은 적절한 전기 절연에 의해 매체, 특히 물에 대하여 절연된다. 이러한 경우에 있어서 절연이 뛰어난 열 전도도를 가지면 이는 합리적일 수 있다. 전기 히터는 서로에 관계없이 스위칭 가능한 두 개의 분기(turn-off) 경로를 가질 수 있다. 제 1 분기 경로는 펄스 폭 변조 장치에 의해 제공될 수 있다. 특히 만일 전류가 공급되지 않거나 펄스 제어 신호가 적용되지 않으면 펄스 폭 변조 장치가 가열 시스템의 히터 작동을 방해하거나 사용 불가능하게 하는 것이 합리적일 수 있다. 만일 복수의 펄스 제어 신호 및/또는 펄스 제어 신호 경로가 사용되면, 펄스 폭 변조 장치는 가열 시스템을 끄는데 그 이유는 고장이 발생하였기 때문이다. 제 2 분기 경로는 스위칭 장치에 의해 제공될 수 있다. 어떠한 전류도 공급되지 않거나 및/또는 어떠한 스위칭 신호도 적용되지 않거나 및/또는 특정 스위칭 신호도 적용되지 않을 때 스위칭 장치가 가열 시스템을 끄거나 또는 제 1 저항 가열 장치 및/또는 제 2 저항 가열 장치로의 에너지 공급을 방해하거나 사용 불가능하게 하는 것이 바람직할 수 있다. 스위칭 장치는 하나, 두 개, 또는 그 이상의 독립적으로 스위칭 가능한 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 스위칭 소자들은 전기 기계의 및/또는 반도체 스위칭 소자들일 수 있다. 펄스 폭 변조 장치는 특히 반도체 소자들일 수 있는, 하나, 두 개, 또는 그 이상의 독립적으로 스위칭 가능한 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
스위칭 장치는 또한 히터 작동을 위하여, 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치를 제 1 저항 가열 장치 또는 제 2 저항 가열 장치가 독점적으로 작동되는 제 3 가열 방식으로 스위칭할 수 있다. 단독으로 작동되는 저항 가열 장치는 그리고 나서 가열 전류가 이를 통하여 흐르거나 또는 이를 통하여 흐를 수 있도록 하기 위하여 펄스 폭 변조에 따라 전압 공급에 전도성으로 연결되도록 스위칭될 수 있다. 특히, 제 3 가열 방식에서 작동되지 않는 저항 가열 장치는 꺼지거나 또는 이러한 가열 방식에서 공급 전압에 연결되는 것이 고려될 수 있다. 따라서 제 1 저항 가열 장치 또는 제 2 저항 가열 장치에만 의존하는 히터 작동을 위하여 부가적인 가열 저항값이 사용될 수 있다. 제 1 저항 가열 장치를 제 3 가열 방식에서의 단독 작동으로 스위칭하고 제 2 저항 가열 장치를 제 4 가열 방식에서의 단독 작동으로 스위칭할 수 있도록 스위칭 장치를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서 저항 가열 장치의 중복이 실현될 수 있다. 게다가, 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치의 저항값이 서로 다른 경우에 있어서, 히터 작동을 위하여 또 다른 저항값이 사용될 수 있다.
스위칭 장치는 릴레이 회로(relay circuit)로서 형성될 수 있다. 특히, 가열 방식들 사이를 스위칭하기 위하여 하나 또는 그 이상의 전기적으로 작동되거나 또는 작동가능한 기계적 스위치들이 릴레이 소자로서 제공될 수 있다. 그러한 스위치는 스위칭 장치의 스위칭 소자로서 제공될 수 있다. 이는 가열 장치의 튼튼한 디자인을 가능하게 한다. 스위칭 장치는 스위칭 소자들로서 부가적으로 하나 또는 그 이상의 스위칭 가능한 반도체 소자를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
스위칭 장치는 준-전 브리지(quasi-full bridge)로서 형성될 수 있다. 여기서, 주로 반도체 스위칭 소자들이 사용될 수 있다. 그러한 준-전 브리지는 비용 효율적이고 공간을 절약한다. 게다가, 그러한 해결과 함께 어떠한 잠재적으로 짜증나게 하는 스위칭 소리도 발생하지 않는다.
제 1 가열 방식 및/또는 제 2 가열 방식에서 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치는 공통의 전원에 연결될 수 있다. 이러한 방법으로 전기 히터의 간단한 제어 및 간단한 작동이 달성될 수 있다.
특히, 전기 히터는 제어 장치를 포함할 수 있거나 또는 제어 장치에 연결될 수 있거나 연결가능하다. 제어 장치는 예를 들면, 적절한 마이크로 컨트롤러 또는 제어 칩을 포함하는 전자 제어 장치로서 형성될 수 있다. 이러한 경우에 있어서 만일 제어 장치가 높은 레벨의 제어 장치와 소통하거나 또는 전기 히터에 더하여 또한 다른 장치들을 제어할 수 있는 공통의 제어 장치로서 형성되면 이는 바람직할 수 있다. 예를 들면, 전기 히터의 제어 장치는 예를 들면 버스 시스템(bus system), 특히 캔(CAN) 버스 또는 린(LIN, Local Interconnect Network) 버스와 같은 적절한 차량 통신 네트워크를 거쳐 차량의 내장 컴퓨터에 연결될 수 있다. 전기 히터의 제어 장치는 차량의 내장 컴퓨터 또는 차량의 공조 시스템 내에 직접적으로 통합되는 것이 실현 가능하다. 제어 장치는 필요한 가열 출력을 설정하기 위하여 설정 장치에 연결될 수 있다. 설정 장치는 사용자가 이를 통하여 필요한 가열 출력을 직접적으로 또는 간접적으로 설정하거나 영향을 주는 사용자 인터페이스를 포함하는 것이 실현 가능하다. 제어 장치는 출력들을 거쳐 스위칭 장치 및/또는 펄스 폭 변조 장치에 연결될 수 있다. 특히, 제어 장치는 신호들을 스위칭함으로써 스위칭 장치 또는 스위칭 장치의 소자들을 제어하도록 디자인될 수 있다. 제어 장치가 관련 펄스 제어 신호들에 의해 펄스 폭 변조 장치를 제어하는 것이 고려될 수 있다.
제어 장치는 공급 전압의 전압 값 및/또는 전기 히터의 필요한 가열 출력을 기초로 하여 스위칭 장치 및/또는 펄스 폭 변조 장치를 제어하도록 디자인될 수 있다. 따라서 전기 히터는 공급 전압의 서로 다른 값들에 잘 반응할 수 있고 또한 가열 전압 또는 공급 전압의 값들을 다르게 하는 경우에 효율적이고 정확하게 제어될 수 있다. 특히, 제어 장치는 최고로 가능한 펄스 폭 변조, 즉, 특히 필요한 가열 출력 및/또는 주어진 공급 전압의 경우에, 기간 동안의 최고로 가능한 가열 비율로의 작동을 가능하게 하는 가열 방식을 위하여 스위칭 장치를 제어하도록 디자인되는 것이 바람직할 수 있다. 이는 가열 시스템 또는 가열 장치를 전체 가열 저항이 주어진 공급 전압에서 필요한 가열 출력이 제공될 수 있는 가장 높게 설정가능한 전체 저항인 가열 방식으로 스위칭함으로써 달성될 수 있다. 이러한 방법으로 펄스 기간의 최고로 가능한 기간이 가열을 위하여 사용될 수 있다. 제어 장치는 하나 또는 그 이상의 센서와 소통하도록 사용될 수 있다. 제어 장치가 전압 센서에 연결되는 것이 바람직할 수 있다. 전압 센서는 가열 전압을 측정하도록 디자인될 수 있다. 전압 센서가 측정된 전압에 관한 전압 신호를 제어 장치로 전송하는 것이 실현 가능하다. 특히, 제어 장치가 적절한 스위칭 및/또는 제어 신호들을 스위칭 장치 및/또는 펄스 폭 변조 장치에 전송하는 것이 고려될 수 있다.
특히, 제어 장치는 만일 전기 히터의 공급 전압의 전압 값이 제 1 임계값 및 제 1 임계값보다 낮은 제 2 임계값 사이의 범위이면 제 1 가열 방식으로의 전기 히터의 작동을 위하여 스위칭 장치를 제어하도록 디자인되는 것이 고려될 수 있다. 제 1 임계값은 예를 들면, 공급 전압의 공칭 값일 수 있거나 또는 적절한 값에 의해 그보다 클 수 있다. 특히, 제 1 임계값은 공칭 전압보다 약 1%, 5%, 10%, 15% 또는 20% 클 수 있다. 이러한 경우에 제 1 가열 방식은 실질적으로 공급 전압이 공칭 값의 범위 내에 존재하는 공칭 작동 방식과 동일하다.
제어 장치는 만일 전기 히터의 공급 전압의 전압 값이 제 3 임계값과 유사하면 제 2 가열 방식으로의 전기 히터의 작동을 위하여 스위칭 장치를 제어하도록 디자인될 수 있다. 제 3 임계값은 특히, 제 2 임계값보다 작거나 동일할 수 있다. 따라서, 높은 공급 전압의 경우에 있어서, 히터는 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치가 전기적으로 직렬로 연결되기 때문에 높은 전체 가열 저항이 존재하는 제 1 가열 방식으로 작동될 수 있다. 따라서, 펄스 폭 변조는 가열 전류가 실제로 가능한 한 길게 존재하는 펄스 기간의 시간 동안에 흐르도록 실행될 수 있다. 동일하게 필요한 출력 및 낮은 공급 전압을 고려할 때, 전기 히터는 낮은 전체 가열 저항이 주어지는 제 2 가열 방식에서의 작동으로 스위칭될 수 있다.
제어 장치는 만일 전기 히터의 공급 전압의 전압 값이 제 3 임계값부터 제 3 임계값보다 큰 제 4 임계값까지의 범위이면 제 3 가열 방식으로의 전기 히터의 작동을 위하여 스위칭 장치를 제어하도록 디자인되는 것이 바람직할 수 있다. 제 4 임계값은 이러한 경우에 있어서, 특히 위에서 언급된 제 2 임계값보다 작을 수 있다. 결과적으로, 병렬로 연결되는 저항 가열 장치로의 작동 및 직렬로 연결되는 저항 가열 장치를 갖는 가열 방식 사이의 가열 결과들을 위하여 저항 가열 장치들 중 하나만이 사용될 수 있는 가열 방식이 사용된다. 이러한 방법으로 작동 옵션의 훨씬 광범위한 스펙트럼이 이용가능하다. 물론 제어 장치는 만일 전기 히터의 공급 전압의 전압 값이 제 4 임계값부터 제 4 임계값보다 큰 제 5 임계값까지의 범위이면 스위칭 장치를 제 4 가열 방식에서의 전기 히터의 작동으로 스위칭하도록 디자인되는 것이 고려될 수 있다. 이는 만일 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치의 저항값이 서로 다르면 특히 바람직할 수 있다. 이러한 연결에서 제 4 가열 방식에서의 가열을 위하여 높은 저항값을 갖는 저항 가열 장치를 사용하거나 또는 스위칭하며 반면에 제 3 가열 방식에서 낮은 가열 저항을 갖는 저항 가열 장치가 가열을 위하여 사용되거나 스위칭되는 것이 고려될 수 있다.
특히, 여기에 설명된 것과 같은 전기 히터를 구비한 차량이 실현 가능하다. 이 경우에 있어서 전기 히터의 공급 전압은 차량의 내장 네트워크에 의해 제공될 수 있다. 내장 네트워크는 위에서 언급된 공칭 값들 중의 하나를 갖는 공급 전압을 제공할 수 있다. 공급 전압의 값은 차량이 작동 상태 및/또는 종류에 따라, 예를 들면, 0V, 100V, 150V, 200V, 250V까지 및 공칭 전압이 범위 내에 존재할 수 있다. 특히 , 차량은 전기 차량일 수 있다.
또한, 전기 히터를 제어하기 위한 방법이 설명되는데, 전기 히터는 여기에 설명되는 전기 히터들 중의 하나이다. 히터 작동을 위하여 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치는 제 1 저항 가열 장치와 제 2 저항 가열 장치가 전기적으로 직렬로 연결되는 제 1 가열 방식, 또는 제 1 저항 가열 장치와 제 2 저항 가열 장치가 전기적으로 병렬로 연결되는 제 2 가열 방식으로 선택적으로 스위칭된다. 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치는 히터 작동을 위하여 제 1 저항 가열 장치 또는 제 2 저항 가열 장치가 단독으로 작동되는 제 3 가열 방식으로 스위칭되는 것이 고려될 수 있다. 특히, 제 3 가열 방식으로 작동되지 않는 저항 가열 장치는 이러한 가열 방식을 위하여 꺼지는 것이 고려질 수 있다. 제 1 저항 가열 장치를 제 1 가열 방식을 위한 단독 작동으로 스위칭하고 제 2 저항 가열 장치를 제 4 가열 방식을 위한 단독 작동으로 스위칭하는 것이 바람직할 수 있다. 상응하는 가열 방식을 위한 저항 가열 장치들의 스위칭은 스위칭 장치에 의해 효율적일 수 있다. 제 1 가열 방식 및/또는 제 2 가열 방식에서 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치는 공통의 전원에 연결될 수 있다. 스위칭 장치가 가열 방식들 사이의 스위칭을 위하여 제어 장치에 의해 제어되는 것이 고려될 수 있다. 제어 장치는 높은 레벨의 제어 장치와 소통하거나 및/또는 또한 전기 히터와는 별도로 다른 장치들을 제어하는 공통 제어 장치로서 형성될 수 있다. 제어 장치는 필요한 가열 출력을 설정하기 위한 설정 장치와 연결되거나 소통될 수 있다. 제어 장치는 공급 전압의 전압 값 및/또는 전기 히터의 필요한 히터 작동을 기초로 하여 스위칭 장치 및/또는 펄스 폭 변조 장치를 제어할 수 있다. 제어 장치가 가능한 한 높은 펄스 폭 변조, 즉, 특히 필요한 가열 출력 및/또는 주어진 공급 전압의 경우에, 기간 동안의 가능한 한 높은 가열 비율로의 작동을 허용하는 가열 방식을 위하여 스위칭 장치를 제어하도록 디자인되는 것이 특히 바람직할 수 있다. 이는 가열 시스템 또는 가열 장치를 전체 가열 저항이 필요한 가열 출력이 제공될 수 있는 주어진 공급 전압에서 설정될 수 있는 가장 높은 전체 저항인 가열 방식에서 가열 시스템 또는 스위칭 장치를 스위칭함으로써 달성될 수 있다. 제어 장치는 하나 또는 그 이상의 센서와 소통할 수 있다. 제어 장치가 전압 센서에 연결되는 것이 바람직할 수 있다. 전압 센서는 가열 전압을 측정할 수 있다. 전압 센서가 측정된 전압에 관한 전압 신호를 제어 장치로 전송하는 것이 실현 가능하다. 제어 장치는 센서 또는 센서들로부터, 특히 전압 센서로부터 수신하는 신호들을 기초로 하여 스위칭 장치 및/또는 설정 장치를 제어할 수 있다. 제어 장치는 만일 전기 히터의 공급 전압의 전압 값이 제 1 임계값부터 제 1 임계값보다 낮은 제 2 임계값까지의 범위이면 제 1 가열 방식으로의 전기 히터의 작동을 위하여 스위칭 장치를 제어하는 것이 고려될 수 있다. 제어 장치는 만일 전기 히터의 공급 전압의 전압 값이 제 3 임계값보다 낮으면 제 2 가열 방식으로의 전기 히터의 작동을 위하여 스위칭 장치를 제어할 수 있다. 제 3 임계값은 특히, 제 2 임계값보다 작거나 동일할 수 있다. 가열 시스템이 작동되는 가열 방식에 따라, 펄스 폭 변조는 가열 전류가 실제로 가능한 한 긴 펄스 기간의 시간 동안에 흐르도록 실행될 수 있다. 동일하게 필요한 출력 및 낮은 공급 전압의 경우에 있어서 전기 히터는 낮은 전체 가열 저항이 낮은 공급 전압에도 불구하고 필요한 가열 출력을 제공할 수 있도록 만연하는 제 2 가열 방식에서의 작동으로 스위칭될 수 있다. 제어 장치는 만일 전기 히터의 공급 전압의 전압 값이 제 3 임계값부터 제 3 임계값보다 큰 제 4 임계값까지의 범위이면 제 3 가열 방식으로의 전기 히터의 작동을 위하여 스위칭 장치를 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 제 4 임계값은 이러한 경우에 있어서, 특히 위에서 언급된 것과 같은 제 2 임계값보다 작을 수 있다. 제어 장치는 만일 전기 히터의 공급 전압의 전압 값이 제 4 임계값부터 제 4 임계값보다 큰 제 5 임계값까지의 범위이면 스위칭 장치를 제 4 가열 방식에서의 전기 히터의 작동으로 스위칭하는 것이 고려될 수 있다. 이는 만일 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치의 저항값이 서로 다르면 특히 바람직할 수 있다. 이러한 연결에서 제 4 가열 방식에서의 가열을 위하여 높은 저항값을 갖는 저항 가열 장치를 사용하거나 또는 스위칭하며 반면에 제 3 가열 방식에서 낮은 가열 저항을 갖는 저항 가열 장치가 가열을 위하여 사용되거나 스위칭되는 것이 고려될 수 있다. 임계값들 및 전압 값들을 위하여 전기 히터와 관련하여 설명된 것들이 적용된다.
이제 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시 예들에 의해 설명될 것이다:
도 1은 릴레이 회로를 포함하는 전기 히터의 개략도를 도시한다.
도 2는 준-전 브리지를 포함하는 전기 히터의 개략도를 도시한다.
도 3은 서로 다르게 펄스된 가열 전류들의 다이어그램을 도시한다.
도 1에서, 전기 히터(10)가 개략적으로 도시된다. 전기 히터(10)는 본 실시 예에서 제 1 저항 가열 장치 및 제 2 저항 가열 장치의 역할을 하는 제 1 가열 저항기(12) 및 제 2 가열 저항기(14)를 포함한다. 코일(17)을 거쳐 "온" 상태 및 "오프" 상태 사이에서 스위칭될 수 있는 제 1 스위치(16)가 제공된다. 코일(17)은 제 1 스위칭 라인(18)을 거쳐 전력이 공급될 수 있다. 제 1 스위치(16)는 릴레이 스위치로서 형성된다. 도 1에서, 스위치는 "오프" 상태에서 도시된다. 또한 코일(21)을 거쳐 "온" 상태 및 "오프" 상태 사이에서 스위칭될 수 있는 제 2 스위치(20)가 제공된다. 도 1에서, 릴레이 스위치로서 형성되는 제 2 스위치(20)는 "오프" 상태에서 도시된다. 코일(21)은 스위치(20)를 스위칭하기 위하여 제 2 스위칭 라인(22)을 거쳐 전력이 공급될 수 있다. 제 1 스위치(16), 제 2 스위치(20) 및 관련 코일들(17, 21)은 스위칭 장치의 소자들로서 간주될 수 있다. 스위칭 라인들(18 및 22)은 스위칭 전압 공급(24)의 공통의 극에 연결된다. 이를 위하여 스위칭 코일들(17, 21)을 거쳐 스위칭 라인들(18 및 22)에 연결되는 스위칭 라인들(18 및 22)의 스위칭 노드(switching node, 19)가 제공된다. 스위칭 전압 공급은 본 실시 예에서, 스위칭 라인들(18, 22)을 위하여 12V의 스위칭 전위를 제공할 수 있다. 만일 스위칭 라인(18)을 거쳐 관련 스위칭 전압이 적용되면, 코일(17)에 전력이 공급될 수 있고 따라서 제 1 스위치(16)는 "온" 상태로 스위칭된다. 유사하게 스위칭 라인(22)에 전압 신호를 적용함으로써 스위치(20)를 스위칭하도록 코일(21)에 전력이 공급될 수 있다.
또한, 이를 통하여 가열 전압이 제공되는 전기 히터(10)를 위한 전압 공급의 극들(26, 28)이 제공된다. 전압 공급의 제 1 극(26)에 연결되는 공급 라인(30)은 공급 노드(32)에서 제 1 공급 브랜치(first supply branch, 34) 및 제 2 공급 브랜치(36)로 분기된다. 제 1 공급 브랜치(34)는 제 1 스위치(16)에 연결된다. 제 2 공급 브랜치(36)는 제 2 스위치(20)에 연결된다. 제 1 공급 브랜치(34)는 제 1 스위치(16)를 거쳐 제 1 가열 저항기(12)가 배치되는 제 1 가열 라인(38)에 연결될 수 있다. 또한 전압 공급이 제 2 극에 연결되는 제 2 공급 라인(40)이 제공된다. 제 2 공급 라인(40)은 제 2 공급 노드(42)에서 제 3 공급 브랜치(44) 및 제 4 공급 브랜치(46)로 분기한다. 제 2 공급 라인(40)의 제 3 공급 브랜치(44)는 제 1 스위치(16)에 연결된다. 제 1 스위치(16)는 "오프" 상태에서 가열 라인(38)을 제 2 공급 라인(40)의 제 3 공급 브랜치(44)에 연결하도록 배치된다. "온" 상태에서 제 1 스위치(16)는 가열 라인(38)을 제 1 공급 라인(30)의 제 1 공급 브랜치(34)에 연결한다. 제 2 공급 라인(40)의 제 4 공급 브랜치는 가열 노드(48)를 거쳐 제 1 가열 라인(38)에 연결된다. 가열 노드(48) 및 제 2 공급 노드(42) 사이에서 제 2 가열 저항기(14)가 제 4 공급 브랜치(46) 내에 연결된다. 제 1 가열 저항기(12)는 가열 노드(48) 및 제 1 스위치(16) 사이의 저항 라인(38) 내에 연결된다. 제 2 스위치(20)는 릴레이 라인(50)을 거쳐 가열 노드(48)에 연결된다. "온" 상태에서 제 2 스위치(20)는 제 1 공급 라인(30)의 제 2 공급 브랜치(36)를 가열 노드(48)에 연결한다. "오프" 상태에서 가열 노드(48) 및 공급 라인들(30, 40) 중의 하나 사이에 제 2 스위치(20)를 통한 어떠한 전도성 연결도 성립되지 않는다. 또한, 제 2 공급 라인(40)의 제 2 공급 노드(42) 및 공급 전압(28)의 제 2 극 사이에 펄스 폭 변조 장치(52)가 제공된다. 이 경우에 있어서, 펄스 폭 변조 장치(52)는 본 실시 예에서는 절연 게이트 양극성 트랜지스터와 같은, 트랜지스터로서 형성된다. 펄스 폭 변조 신호 또는 펄스 제어 신호는 제어 라인(54)을 거쳐 제어 신호로서 펄스 폭 변조 장치(52)에 전송된다. 특히, 펄스 폭 변조 장치(52)의 입력 및 출력(콜렉터 및 이미터(emitter))은 입력이 제 2 공급 노드(42)에 연결되고 출력이 극(28)에 연결되도록 배치될 수 있다. 펄스 폭 변조 장치(52)의 제어 입력(게이트)은 제어 라인(54)에 연결된다. 만일 펄스 폭 변조 장치(52)가 펄스 폭 변조 신호 또는 펄스 제어 신호에 의해 통로로 스위칭되면, 원칙적으로, 가열 전류가 전압 공급의 극들(26, 28) 사이에 흐를 수 있다. 예를 들면, 신호가 기간의 제로 점을 통하여 흐르기 때문에 어떠한 신호도 제어 라인(54)에 적용되지 않거나 또는 어떠한 신호도 전혀 적용되지 않는 기간 동안에 공급 전압의 극들(26, 28) 사이에 어떠한 전류도 흐를 수 없다. 결과적으로, 전기 히터(10)의 제 1 분기 경로는 펄스 폭 변조 장치(52)를 거쳐 가능할 수 있는데 그 이유는 제어 라인(54)을 거쳐 적용되는 펄스 폭 변조 신호 없이 전기 히터(10)는 그 결과로서 꺼지기 때문이다. 펄스 제어 신호는 직사각형 신호일 수 있다. 스위칭 라인들(18, 22) 및 제어 라인(54)에 연결된 화살표는 스위칭 신호들 및 펄스 제어 신호들을 스위칭 라인들(18, 22) 또는 제어 라인(54)에 적용할 수 있는 제어 장치의 출력들을 나타낸다. 제어 장치는 극들(26, 28)을 거쳐 제공되는 공급 전압의 전압 값 및/또는 전기 히터(10)의 필요한 가열 출력을 기초로 하여 스위칭 장치 및/또는 펄스 폭 변조 장치(52)를 제어한다. 이를 위하여 제어 장치는 관련 스위칭 신호들을 출력하거나 및/또는 그것의 출력들을 거쳐 신호를 제어한다.
이 경우에 있어서, 스위치들(16 및 20)을 포함하는 전기 히터(10)의 스위칭 장치는 다음과 같이 스위칭될 수 있다:
만일 제 1 스위치(16) 및 제 2 스위치(20)가 모두 "오프" 상태이면, 전압 공급의 제 1 극(26) 및 제 2 극(28) 사이에 어떠한 전도성 연결도 가능하지 않다. 그 결과, 제 1 분기 경로와 관계없이 제 2 분기 경로가 스위치들(16, 20)을 거쳐 확립된다.
만일 제 1 스위치(16)가 "오프" 상태이고 제 2 스위치(20)가 "온" 상태이면 제 1 가열 저항기(12) 및 제 2 가열 저항기(14)는 병렬로 연결된다. 제 1 공급 노드(32)는 제 2 스위치(20), 가열 노드(48), 제 2 가열 저항기(14) 및 제 2 공급 노드(42)를 거쳐 제 2 공급 라인(40)에 전도성으로 연결된다. 또한 거기에 병렬로 제 1 공급 라인(30)의 제 2 공급 라인(40)으로의 전기적으로 전도성의 연결이 제 2 공급 브랜치(36), 제 2 스위치(20), 가열 노드(48), 가열 라인(36) 내의 가열 저항기(12) 및 스위치(16)를 거쳐 확립된다. 실제로, 스위치(16)는 "오프" 상태에서 가열 라인(38)을 제 2 공급 라인(40)의 제 3 공급 브랜치(44)에 연결한다. 그 결과, 제 1 가열 저항기(12) 및 제 2 가열 저항기(14)는 병렬로 작동될 수 있고 제어 라인(54)을 거쳐 제어되는 펄스 폭 변조 장치(52)에 따른 가열 전류가 공급될 수 있다.
만일 제 1 스위치(16)가 "온" 상태이고 제 2 스위치(20)가 "오프" 상태이면 전압 공급의 제 2 극(28)에 대한 전압 공급의 제 1 극(26) 사이의 전도성 연결은 제 1 공급 라인(30), 제 1 공급 브랜치(34), "꺼진" 스위치(16), 가열 노드(48)를 거쳐 제 2 가열 저항기(14)를 포함하는 가열 라인(38), 제 2 가열 저항기(14)를 포함하는 제 4 공급 브랜치 및 제 2 공급 노드(42)를 거쳐 확립된다. 그 결과, 제 1 가열 저항기(12) 및 제 2 가열 저항기(14)에 직렬의 가열 전류가 공급되고 직렬 연결로 작동된다.
만일 제 1 스위치(16) 및 제 2 스위치(20)가 각각 "온" 상태이면, 제 2 공급 라인(40)으로의 연결은 제 1 공급 라인(30)으로부터 제 1 공급 노드(32), 제 2 공급 브랜치(36), 제 2 스위치(20), 릴레이 라인(50), 가열 노드(48), 제 2 가열 저항기(14)를 포함하는 제 4 공급 브랜치(46) 및 제 2 공급 노드(42)를 거쳐 확립된다. 그 결과, 제 2 가열 저항기에 전력이 공급될 수 있다. 가열 라인(38) 내의 제 1 가열 저항기(12)는 제 2 스위치(20) 및 제 2 공급 브랜치(36)를 거칠 뿐만 아니라 제 1 스위치(16) 및 제 1 공급 브랜치(34)를 거쳐 연결되는데 따라서 제 1 가열 저항기(12)를 가로질러 어떠한 전압 강하도 발생하지 않는다. 따라서, 이 경우에 있어서, 제 2 가열 저항기(14)에만 전력이 공급되고 따라서 펄스 폭 변조 장치(52)의 제어에 따른 가열을 위하여 작동된다.
이러한 실시 예에서 낮은 스위칭 손실들이 발생하는데 그 이유는 펄스 폭 변조 장치(52)만이 상당한 스위칭 부하를 요구하는 반도체 루트(route)로서 형성되기 때문이다. 릴레이들과 같은 스위치들(16, 20)은 실질적으로 부하 없이 스위칭될 수 있다. 게다가, 스위칭 수단들은 만일 릴레이들이 연결되지 않으면 가열 저항기들이 공급 전압으로부터 자동으로 연결되지 않는 하자(defect) 제어의 경우에 있어서 릴레이들이 각각 "오프" 상태에서 존재하도록 디자인될 수 있다.
도 2는 준-전 브리지를 포함하는 히터(100)의 개략도를 도시한다. 전기 히터(100)는 전압 공급의 제 1 극(102)에 연결되는 제 1 공급 라인(104)을 포함한다. 제 1 공급 라인(104)은 제 1 공급 노드(105)에서 제 1 공급 브랜치(108) 및 제 2 공급 브랜치(110)로 분기한다. 제 1 공급 브랜치(108)는 하이-사이드(high-side) 제 1 스위칭 트랜지스터(112)에 연결된다. 제 1 가열 라인(114)은 절연 게이트 양극성 트랜지스터로서 형성되는 하이-사이드 제 1 스위칭 트랜지스터(112)를 가열 노드(116)에 연결한다. 특히, 제 1 스위칭 트랜지스터(112)의 입력(콜렉터)은 제 1 공급 브랜치(108)에 연결될 수 있고 출력(이미터)은 제 1 가열 라인(114)에 연결될 수 있다. 제 1 가열 저항기(118) 및 제 1 펄스 폭 변조기(120)의 입력(콜렉터)은 가열 노드(116)에 직렬로 연결된다. 제 2 공급 브랜치(110)는 또한 절연 게이트 양극성 트랜지스터로서 형성되는 하이-사이드 제 2 스위칭 트랜지스터(122)의 입력에 연결된다. 제 2 스위칭 트랜지스터(122)의 출력은 라인(124)을 거쳐 제 2 펄스 폭 변조기(126)의 입력에 연결된다. 라인(124)에 있어서, 제 2 스위칭 트랜지스터(122) 및 제 2 펄스 폭 변조기(126) 사이에 제 2 가열 노드가 제공된다. 제 2 가열 저항기(132)가 연결되는 가열 라인(130)은 제 2 가열 노드(128)로부터 분기한다. 가열 라인(130)은 제 1 가열 노드(114)에 연결되는데 따라서 제 2 가열 저항기(132)는 제 1 가열 노드(114) 및 제 2 가열 노드(128) 사이에 연결된다. 제 1 펄스 폭 변조기(120) 및 제 2 펄스 폭 변조기(126)의 출력들은 라인들을 거쳐 공통의 출력 노드(134)에 연결된다. 다른 한편으로, 출력 노드(134)는 전압 공급의 제 2 극(136)에 연결된다. 결과적으로, 펄스 폭 변조기들(120, 126)의 출력들은 전압 공급의 제 2 극(136)에 연결된다. 제 1 스위칭 라인(138)은 이를 제어하기 위하여 제 1 스위칭 트랜지스터(112)의 제어 입력(게이트)에 연결된다. 유사한 방법으로, 제 2 스위칭 라인(140)은 이를 제어하기 위하여 제 2 스위칭 트랜지스터(122)의 제어 입력에 연결된다. 전압 공급의 제 1 극(102)으로부터 스위칭 트랜지스터들(112, 122)의 입력들과 출력들을 거쳐 전류 흐름을 허용하기 위하여 관련 스위칭 신호들이 스위칭 라인들(138, 140)을 거쳐 스위칭 트랜지스터들(112, 122)에 출력될 수 있다. 제 1 제어 라인(142)은 로-사이드(low-side) 제 1 펄스 폭 변조기(120)의 제어 입력에 연결된다. 펄스 폭 변조된 신호에 따라 제 1 펄스 폭 변조기(120)는 제 1 제어 라인(126)을 거쳐 켜지거나 꺼질 수 있다. 제 1 펄스 폭 변조기(120)와 같이 제 2 펄스 폭 변조기(126)가 제 2 제어 라인(144)에 적용되는 신호에 따라 켜지거나 꺼질 수 있다. 제 1 펄스 폭 변조기(120) 및 제 2 펄스 폭 변조기(126)는 개별적으로 형성되고 서로 독립적으로 제어가능하다. 그것들은 펄스 폭 변조 장치의 소자들로서 간주될 수 있다. 특히, 제 1 펄스 폭 변조기(120) 및 제 2 펄스 폭 변조기(126)는 도 2에서 신호들의 파형에 의해 표시된 것과 같이 180O 위상 변이된 펄스 폭 변조된 직사각형 신호들에 의해 제어되는 것이 고려될 수 있다. 이러한 방법으로 함께 감소된 리플 전류가 생길 것이며, 내장 네트워크는 더 안정적인 전류 또는 전압 공급을 제공한다. 만일 펄스 폭 변조 장치들(120, 126) 모두 "온" 상태에 있지 않으면, 전압 공급의 제 1 극(102) 및 전압 공급의 제 2 극(136) 사이에 어떠한 전류도 흐를 수 없다. 그 결과, 제 1 분기 경로는 독립적으로 스위칭 가능한 펄스 폭 변조기들(120, 126)에 의해 확립된다. 특히 펄스 폭 변조기들을 위한 제어 신호들의 고장의 경우에 가열이 작동되지 않는 것이 보장된다. 도 1과 관련하여 언급된 것과 같이, 스위칭 라인들(138, 140) 및 제어 라인들(142, 144)은 스위칭 신호들 또는 펄스 제어 신호들을 스위칭 라인들(138, 140) 또는 제어 라인들(142, 144)에 적용할 수 있는 상세히 설명되지 않은 제어 장치의 출력들에 연결된다. 제어 장치는 극들(102, 136)에 의해 공급되는 공급 전압의 전압 값 및/또는 전기 히터의 필요한 가열 출력을 기초로 하여 스위칭 장치 및/또는 펄스 폭 변조 장치를 제어한다. 이를 위하여 제어 장치는 그것의 출력들을 거쳐 관련 스위칭 신호들 및/또는 제어 신호들을 출력한다. 이러한 실시 예에서 스위칭 트랜지스터들(112, 122)은 스위칭 장치의 소자들로서 간주될 수 있다. 가열 저항기(118)는 제 1 저항 가열 장치와 동등하고, 가열 저항기(132)는 제 2 저항 가열 장치와 동등하다.
만일 하이-사이드 제 1 스위칭 트랜지스터(112)가 "오프" 상태이고 하이-사이드 제 2 스위칭 트랜지스터(122)가 "온" 상태이면, 바람직하게는 제 1 펄스 폭 변조 장치(120)만이 켜진다. 그 결과, 전압 공급의 제 1 극(102)으로부터 제 2 공급 브랜치(110), 제 1 스위칭 트랜지스터(122), 제 2 가열 노드(128), 제 2 가열 저항기(132)를 포함하는 가열 라인(130), 제 1 가열 노드(114), 제 1 가열 저항기(118) 및 제 1 펄스 폭 변조기(120)를 거쳐 출력 노드(134)로의 전류 흐름이 존재한다. 만일 이 경우에 있어서 제 2 펄스 폭 변조기(126)가 제어되지 않고 어떠한 전류도 전도하지 않는 "오프" 상태로 남아 있으면, 제 1 가열 저항기(118) 및 제 2 가열 저항기(132)는 제 1 펄스 폭 변조기(120)를 통한 전도 경로에 대하여 직렬로 연결된다. 그 결과, 가열 전류는 제 1 펄스 폭 변조기(120)에 적용되는 제어 신호에 따라 직렬로 연결되는 가열 저항기들(118, 132)을 거쳐 흐를 수 있다. 이 상태에서, 예를 들면, 제 2 펄스 폭 변조기(126)를 "온" 상태로 스위칭하지 않는 제어 장치에 의해 제 2 스위칭 트랜지스터(122) 및 제 2 펄스 폭 변조기(126) 사이의 합선(short circuit)이 방지되어야 만다.
제 1 스위칭 트랜지스터(112)가 "온" 상태로 스위칭되고 제 2 스위칭 트랜지스터(122)가 "오프" 상태로 스위칭되는 경우에 있어서, 펄스 폭 변조기들(120)의 제어에 따라 서로 다른 가능한 전류 경로들이 확립될 것이다. 만일 제 1 펄스 폭 변조기(120)만이 펄스 폭 변조된 제어 신호에 의해 제어되고 제 2 펄스 폭 변조기(126)는 꺼진 상태로 남아 있으면 제 1 극으로부터 제 1 공급 라인(104), 제 1 공급 노드(106), 제 1 스위칭 트랜지스터(112), 제 1 가열 노드(114), 제 1 가열 저항기(118)를 거쳐 출력 노드(134)로의 전류 경로 및 따라서 전압 공급의 제 2 극(136)으로의 전류 경로가 제 1 펄스 폭 변조기(120)를 거쳐 확립된다. 제 1 가열 저항기(118)만이 가열에 기여한다. 제 1 펄스 폭 변조 장치(120)가 제어되지 않으나, 제 2 펄스 폭 변조기(126)는 제어되는 경우에 있어서, 전도 경로는 전류는 제 1 가열 저항기(118)를 통하는 것이 아니라, 제 2 가열 저항기(132)를 통하여 흐를 것이라는 사실을 야기할 것이다. 만일 펄스 폭 변조 장치들(120, 126) 모두 "온" 상태로 제어되면, 제 1 가열 저항기(118) 및 제 2 가열 저항기(132)는 실질적으로 병렬로 통과된다. 그러나, 가열 저항기들(118, 132)의 병렬 연결은 엄격히 말하자면, 두 펄스 폭 변조 장치(120, 126)가 동시에 "온" 상태로 스위칭되는 경우에만 획득된다. 이는 특히, 만일 펄스 폭 변조 장치들(120, 126)의 펄스 폭 변조를 위한 신호들이 동일한 위상들을 갖거나 또는 펄스가 전체 펄스 기간을 가로질러 확장하는 100%의 펄스 폭 변조가 달성되면 사실일 수 있다. 위상 변이 제어를 위하여, 주로 펄스 폭 변조기들(120, 126) 중 어느 하나가 펄스 폭 변조된 신호 때문에 "온" 상태이고 다른 펄스 폭 변조기(126)는 "오프" 상태일 때, 전류는 대안으로서 제 1 가열 저항기(118) 및 제 2 가열 저항기(132)를 통하여 흐를 수 있다. 그 결과, 좁은 의미에서의 어떠한 병렬 연결도 그러한 시간 동안에 주어지지 않는다.
따라서, 도 2에 도시된 실시 예를 위하여, 제 1 스위칭 트랜지스터(112) 및 제 2 스위칭 트랜지스터(122)를 동시에 "오프" 상태로 스위칭하는 옵션(그것과 독립적으로 스위칭될 수 있는 제 1 분기 경로에 관하여 불필요한 개별적인 제 2 분기 경로)이 발생한다. 만일 두 스위칭 트랜지스터들(112 및 122) 모두 "온" 상태로 스위칭되면, 트랜지스터들의 제어에 따라 서로 다른 전류 경로들이 발생할 수 있다. 또한 이러한 경우에 있어서, 예를 들면, 제어 장치에 의한 적절한 제어에 의해 스위칭 트랜지스터(122) 및 펄스 폭 변조기(126)의 합선이 방지되어야만 한다. 특히, 일반적으로 제 2 스위칭 트랜지스터(122) 및 제 2 펄스 폭 변조기(126)의 동시의 "온" 상태는 제어 장치에 의해 예방되거나 금지될 수 있다. 만일 제 2 펄스 폭 변조기(126)가 "오프" 상태로 유지되면 가열 과정이 지배하는, 제 1 가열 저항기(118)를 통한 바람직한 전류 경로가 발생할 것이다.
제 2 스위칭 트랜지스터(122) 및 제 2 펄스 폭 변조기(126)에 반하여, 제 1 스위칭 트랜지스터(112) 및 제 1 펄스 폭 변조기(120)는 가열 저항기(118)가 그것들 사이에 연결되기 때문에 서로 직접적으로 연결되지 않는 이유로, 도 2에 도시된 회로는 준-전 브리지로서 언급될 수 있다. 이는 순수 반도체 솔루션과 같은 조밀한 디자인으로 제조될 수 있다. 브리지 모듈로서, 4개의 반도체 회로, 즉 예를 들면, 제 1 스위칭 트랜지스터(112), 제 2 스위칭 트랜지스터(122), 및 제 1, 제 2 펄스 폭 변조기(120, 126)를 실현하는 것이 고려될 수 있다. 이러한 실시 예에서, 트랜지스터들은 절연 게이트 양극성 트랜지스터로서 실현된다. 그러나, 다른 적합한 종류의 트랜지스터를 사용하는 것이 또한 가능하다.
도 3은 회로의 서로 다른 히터 저항값들의 경우에서 가능한 펄스 전류 인출(current draw)의 도면을 도시한다. 전압 공급에 의해 제공되고 밀리초(ms)로 시간(t)에 따른 암페어(A)의 전류 세기(I)를 갖는 가열 전류가 도시된다. U는 적용된 가열 전압을, P는 가열 출력을, Rlast는 전체 가열 저항을, 그리고 PWM은 펄스 폭 변조의 크기를 지정한다. 도시된 곡선들(Ⅰ, Ⅱ 및 Ⅲ)을 위하여 히터의 전류 인출은 각각 1,562 와트에 이른다. 이는 히터의 필요한 가열 출력과 동등하다. 일반적으로, 히터 전력 소비는 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112013077274397-pct00001
여기서, R은 전체 저항을 표시하고, Ieff는 펄스 변조에 의해 변형된 가열 전류의 유효 전류 크기를 표시하며, Iamp는 가열 전류의 최대 전류 크기를 표시하며, vt는 펄스 폭 변조의 펄스 점유율(pulse duty factor), 즉, 펄스 기간 동안에 히터 전류가 흐르는 시간 및 펄스 기간의 기간 사이의 비율을 표시한다. 따라서, 도 3에서 곡선이 가장 높은 전류 크기 값들은 각각 Iamp와 상응한다. 이러한 실시 예에서 직사각형 파형을 갖는 가열 전류들이 발생된다.
히터는 도 1 또는 도 2에 도시된 히터들 중의 하나일 수 있다. 제 1 가열 저항기 및 제 2 가열 저항기는 각각 약 20 옴(ohm)의 저항을 위하여 디자인되었다. 따라서, 가열 저항기들의 병렬 연결을 위하여, 약 Rlast=10 옴의 전체 부하가 획득된다. 하나의 가열 저항기에만 가열 전류가 공급되는 단일 부하를 갖는 회로를 위하여, 약 Rlast=20 옴의 가열 저항이 획득될 것이다. 가열 저항기의 직렬 연결의 경우에, 가열 저항값은 약 Rlast=40 옴에 이를 것이다. 3개의 곡선 모두를 위하여, U=250V의 공급 전압이 가정되었다.
제 1 곡선(Ⅰ)은 제 1 가열 방식, 즉, 제 1 스위치(16)가 켜지고 제 2 스위치(20)가 꺼지는 도 1에 도시된 경우 또는 제 1 스위칭 트랜지스터(112)가 꺼지고 제 2 스위칭 트랜지스터(122)가 켜지는 도 2에 도시된 경우와 상응하는 가열 저항기들이 직렬 연결과 상응한다. 이러한 경우에 있어서 실질적으로 일정한 전류가 획득되도록 P=156W의 미리 결정된 출력을 위하여 100%의 펄스 폭 변조가 달성될 수 있다. 가열 전류의 전류 크기(I)는 6.25 A에 이른다.
만일 제 1 스위치(16) 및 제 2 스위치(20)가 켜지는 도 1에 도시된 경우, 또는 상응하는 펄스 폭 변조 장치의 경우에 제 1 스위칭 트랜지스터(112)가 켜지고 제 2 스위칭 트랜지스터(122)가 꺼지는 도 2에 도시된 경우와 일치하는, 제 3 방식에서, 하나의 가열 저항기만이 사용되면, 전체 가열 저항 Rlast는 20 옴에 이른다. 펄스 폭 변조는 50%에 으르며, 곡선 Ⅱ에 보이는 펄스된 신호가 획득된다. 펄스 동안에 선택된 가열 저항기를 통하여 흐르는 전류 크기는 위의 공식에 따라 12.5 A에 이른다.
제 3 곡선(Ⅲ)을 위하여, 제 2 가열 방식, 즉, 가열 저항기들이 병렬 연결이 가정된다. 상응하게, 10 옴의 가장 낮은 전체 가열 저항이 획득된다. 이는 제 1 스위치(16)가 꺼지고 제 2 스위치(20)가 켜지는 도 1에 도시된 경우, 또는 펄스 폭 변조 장치의 상응하는 제어의 경우에 제 1 스위칭 트랜지스터(112)가 켜지고 제 2 스위칭 트랜지스터가 꺼지는 도 2에 도시된 경우와 상응한다. 펄스 폭 변조는 단지 25%인데, 이는 25.0 A의 그래도 증가된 전류 크기를 야기한다.
도 3으로부터 P=1262W의 필요 가열 출력의 경우에 있어서, 가열 저항기들의 직렬 연결이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 사실, 이러한 방법으로 안정적인 신호(높은 펄스 점유율)의 경우에 낮은 전류 크기가 사용될 수 있으며 스위칭 부하들 및 리플 전류 효과들이 최소 효과를 갖는다. 동시에, 이 경우에 있어서, 가열 출력은 곡선 Ⅱ 및 Ⅲ의 경우보다 더 정확하게 제어될 수 있는데 그 이유는 펄스 파형 변조의 전체 폭이 사용될 수 있기 때문이다. 특히, 펄스 폭 변조가 일반적으로 실질적이고 비용이 드는 영향들 없이 약 1%의 정확도로만 제어될 수 있다는 것이 고려되어야만 한다. 따라서, 1526W보다 낮은 가열 출력이 필요하면, 곡선들 Ⅱ 및 Ⅲ을 위한 것보다 더 정확한 가열 출력의 제어가 실현될 수 있다. 높은 가열 출력이 필요하면, 이는 명백히 펄스 폭 변조의 감소에 의해 실현될 수 없다. 따라서, 높은 가열 출력을 위하여, 가열은 가열 저항기들이 더 이상 직렬로 연결되지 않도록, 즉, 곡선 Ⅰ이 남도록 연결되어야만 한다. 약 3,000W까지의 필요한 가열 출력을 위하여, 바람직하게는 곡선 Ⅱ가 돌려지는데, 즉, 가열 저항기들 중 하나만이 구동된다. 약 3,000W 이상의 약 6,000W의 최대 출력까지의 가열 출력을 위하여, 이 경우에 예상되는 것과 같이, 바람직하게는 제 1 가열 방식에서의 가열 저항기들의 병렬 연결이 사용되는데, 즉, 곡선 Ⅲ이 선택된다.
위의 설명, 도면들뿐만 아니라 청구항들에서 개시된 본 발명의 특징들은 개별적으로 또는 어떠한 조합으로 본 발명의 실현을 위하여 중요할 수 있다.
10 : 히터
12 : 제 1 가열 저항기
14 : 제 2 가열 저항기
16 : 제 1 스위치
17 : 코일
18 : 제 1 스위칭 라인
19 : 스위칭 노드
20 : 제 2 스위치
21 : 코일
22 : 제 2 스위칭 라인
24 : 스위칭 전압 공급의 극
26 : 극
28 : 극
30 : 제 1 공급 라인
32 : 제 1 공급 노드
34 : 제 1 공급 브랜치
36 : 제 2 공급 브랜치
38 : 가열 출력
40 : 제 2 공급 라인
42 : 제 2 공급 노드
44 : 제 3 공급 브랜치
46 : 제 4 공급 브랜치
48 : 가열 노드
50 : 릴레이 라인
52 : 펄스 폭 변조 장치
54 : 제어 라인
100 : 전기 히터
102 : 극
104 : 제 1 공급 라인
106 : 공급 노드
108 : 제 1 공급 브랜치
110 : 제 2 공급 브랜치
112 : 제 1 스위칭 트랜지스터
114 : 가열 라인
116 : 제 1 가열 노드
118 : 제 1 가열 저항기
120 : 제 1 펄스 폭 변조기
122 : 제 2 스위칭 트랜지스터
124 : 라인
126 : 제 2 펄스 폭 변조기
128 : 제 2 가열 노드
130 : 가열 라인
132 : 제 2 가열 저항기
134 : 출력 노드
136 : 극
138 : 제 1 스위칭 라인
140 : 제 2 스위칭 라인
142 : 제 1 제어 라인
144 : 제 2 제어 라인

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 제 2 저항 가열 장치(14; 132);
    상기 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및/또는 상기 제 2 저항 가열 장치(14; 132)의 펄스 폭 변조된 작동을 할 수 있는 적어도 하나의 펄스 폭 변조 장치(52; 120, 126); 및
    적어도 하나의 스위칭 장치(16, 17, 20, 21; 112, 122);를 포함하되,
    상기 스위칭 장치(16, 17, 20, 21; 112, 122)는 히터 작동을 위하여, 상기 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 상기 제 2 저항 가열 장치(14; 132)가 전기적으로 직렬로 연결되는 제 1 가열 방식, 및 상기 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 상기 제 2 저항 가열 장치(14; 132)가 전기적으로 병렬로 연결되는 제 2 가열 방식 사이에서 상기 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 상기 제 2 저항 가열 장치(14; 132)를 선택적으로 스위칭할 수 있으며,
    전기 히터(10;100)가 제어 장치를 포함하거나 제어 장치에 연결되거나 연결 가능하며,
    상기 제어 장치는 공급 전압의 전압값에 기반하여 상기 스위칭 장치(16, 17, 20, 21; 112, 122)를 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 차량용 전기 히터(10; 100).
  2. 제 1항에 있어서, 상기 스위칭 장치(16, 17, 20, 21; 112, 122)는 또한 히터 작동을 위하여, 상기 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 상기 제 2 저항 가열 장치(14; 132)를 상기 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 또는 상기 제 2 저항 가열 장치(14; 132)가 단독으로 작동되는 제 3 가열 방식으로 스위칭할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 히터.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 스위칭 장치(16, 17, 20, 21)는 릴레이 회로로서 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 히터.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 스위칭 장치(112, 122)는 준-전 브리지로서 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 히터.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 저항 가열 장치(12, 118)의 가열 저항값은 실질적으로 상기 제 2 저항 가열 장치(14; 132)의 가열 저항값과 동일한 것을 특징으로 하는 전기 히터.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 가열 방식 및/또는 상기 제 2 가열 방식에서, 상기 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 상기 제 2 저항 가열 장치(14; 132)는 공통의 전류원(26, 28; 102, 136)에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 히터.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제어 장치는 공급 전압의 전압 값 및/또는 전기 히터(10; 100)의 필요한 가열 출력을 기초로 하여 상기 펄스 폭 변조 장치(52; 120, 126) 및/또는 필요한 가열 출력을 기초로 하여 상기 스위칭 장치(16, 17, 20, 21; 112, 122)를 제어하도록 디자인되는 것을 특징으로 하는 전기 히터.
  8. 제 1항에 있어서, 만일 상기 전기 히터(10; 100)의 공급 전압의 전압 값이 제 1 임계값부터 상기 제 1 임계값보다 작은 제 2 임계값까지의 범위이면, 상기 제어 장치는 상기 제 1 가열 방식에서의 상기 전기 히터(10; 100)의 작동을 위하여 상기 스위칭 장치(16, 17, 20, 21; 112, 122)를 제어하도록 디자인되는 것을 특징으로 하는 전기 히터.
  9. 제 1항에 있어서, 만일 상기 전기 히터(10; 100)의 공급 전압의 전압 값이 제 3 임계값보다 작으면, 상기 제어 장치는 상기 제 2 가열 방식에서의 상기 전기 히터(10; 100)의 작동을 위하여 상기 스위칭 장치(16, 17, 20, 21; 112, 122)를 제어하도록 디자인되는 것을 특징으로 하는 전기 히터.
  10. 제 9항에 있어서, 만일 상기 전기 히터(10; 100)의 공급 전압의 전압 값이 제 3 임계값부터 상기 제 3 임계값보다 작은 제 4 임계값까지의 범위이면, 상기 제어 장치는 제 3 가열 방식에서의 상기 전기 히터(10; 100)의 작동을 위하여 상기 스위칭 장치(16, 17, 20, 21; 112, 122)를 스위칭하도록 디자인되는 것을 특징으로 하는 전기 히터.
  11. 제 1항에 따른 전기 히터(10; 100)를 포함하는 차량.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 전기 히터(10; 100)의 공급 전압은 상기 차량의 내장 네트워크에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 차량.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 차량은 전기 차량인 것을 특징으로 하는 차량.
  14. 히터 작동을 위하여, 스위칭 장치(16, 17, 20, 21; 112, 122)가 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 제 2 저항 가열 장치(14; 132)를 스위칭하고 제어 장치가 상기 스위칭 장치를 제어하며, 상기 제어 장치는 공급 전압의 전압 값에 기반하여 상기 스위칭 장치(16, 17, 20, 21; 112, 122)를 제어하도록 설계되며,
    상기 스위칭 장치(16, 17, 20, 21; 112, 122)가 상기 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 상기 제 2 저항 가열 장치(14; 132)가 전기적으로 직렬로 연결되기 위한 제 1 가열 방식, 및 상기 제 1 저항 가열 장치(12; 118) 및 상기 제 2 저항 가열 장치(14; 132)가 전기적으로 병렬로 연결되는 제 2 가열 방식 사이에서 상기 제 1 저항 가열 장치(12, 118) 및/또는 상기 제 2 저항 가열 장치(14; 132)를 선택적으로 스위칭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 따른 전기 히터(10; 100)를 제어하기 위한 방법.
  15. 삭제
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