KR20060083920A

KR20060083920A - 전기 소비재의 작동 방법

Info

Publication number: KR20060083920A
Application number: KR1020060005372A
Authority: KR
Inventors: 한스 페터 에츠콘; 유르겐 폴; 롤프 메르테
Original assignee: 베루 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2006-07-21
Also published as: US7659492B2; JP2006230188A; KR101124583B1; EP1681755A2; JP4943009B2; CN1834830A; DE102005002381A1; EP1681755A3; US20070053131A1

Abstract

본원에는 차량과 같은 이동 장치용의, 예컨대 아날로그 작동 형태의 정 온도 계수(PTC) 가열 장치와 같은 정격 전류에 비해 제조시 매우 높은 전류가 생성되는 전기 소비재의 작동 방법이 제공되어 있다. 상기 소비재의 전력은 접속 단계에서 규정된 제한적 방식으로 또는 램프(ramp)와 같은 방식으로 증가된다.

Description

전기 소비재의 작동 방법{A method for operating an electrical consumer}

도 1은 아날로그 작동 형태의 정 온도 계수(PTC) 가열 장치를 작동시키기 위한 종래 방법에서의 전류의 증가 및 아날로그 작동 형태의 정 온도 계수(PTC) 가열 장치를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법에서의 전류의 증가를 한 스테이지에 대한 시간 그래프로 보여주는 도면.

도 2는 정 온도 계수(PTC) 가열 장치에 대한 단일 스테이지 또는 다중 스테이지 전자 제어 회로의 구조를 블록 선도로 보여주는 도면.

도 3은 정 온도 계수(PTC) 가열 장치에 대한 무한 가변식 전자 제어 회로의 구조를 블록 선도로 보여주는 도면.

도 4는 도 2에 도시된 전자 회로에 대한 펄스 폭 변조(PWM) 제어 전압을 생성하기 위한 회로 구조의 제1 실시예를 보여주는 도면.

도 5는 도 2에 도시된 전자 회로에 대한 펄스 폭 변조(PWM) 제어 전압을 생성하기 위한 회로 구조의 제2 실시예를 보여주는 도면.

본 발명은 차량과 같은 이동 장치용의 아날로그 작동 형태의 정 온도 계수 (PTC) 가열 장치, 전기 펌프, 전기 모터, 자석 코일 따위와 같은 정격 전류에 비해 제조시 매우 높은 전류가 생성되는 전기 소비재의 작동 방법에 관한 것이다.

선박, 열차, 트럭, 상업 차량, 항공기, 우주선 및 자동차와 같은 이동 수단에 공기와 같은 유동 매체를 가열하는 가열 장치들을 장착하기 위한 방법이 공지되어 있다. 그러한 장치는 차량 내부 가열 시스템, 윈도 제빙용 공기 가열 시스템, 엔진 흡입 공기의 예비가열용 가열 시스템 등등일 수 있다.

이러한 목적을 위해 마이크로프로세서 제어 시스템을 통한 디지털 방식으로 또는 전자 제어 시스템 없이, 예컨대 기계식 릴레이를 통해 온 상태로 그리고 오프 상태로 스위칭된다는 점에서 아날로그 작동을 수행하는 예를 들면 금속과 같은 자신의 저항인 정 온도 계수(positive temperature coefficient; PTC)를 갖는 재료 또는 다른 가열 요소들을 기반으로 하여, 가열 요소들의 형태로 가열 장치들을 제공하기 위한 방법이 공지되어 있다. 대응하는 릴레이들의 개수에 의해 온 상태로 스위칭되는 가열 요소들은 여러 스테이지에서 제공될 수 있다.

그러한 아날로그 작동 형태의 정 온도 계수(PTC) 가열 장치들에서는, 상기 장치가 온 상태로 스위칭될 경우에, 다시 말하면 수 초 정도의 길이를 갖는 접속 단계에서 정격 전류의 2배에 해당하는 전류와 동일할 수 있는 제조시 매우 높은 전류가 흐름으로써, 주전력 공급원에 대한 전류 부하가 엄청나게 높아지게 된다는 사실이 불리한 것으로 간주할 수 있다.

또한, 스위칭이, 여러 단계에서, 다시 말하면 불안정 상태에서 이루어지는 고장 진단의 가능성이 전혀 없으며, 스위칭 잡음을 초래하는 기계식 릴레이들의 사 용을 수반하는 기계식 과정이 제공되고, 스위칭 사이클로 인해 서비스 수명이 제한되며, 기계식 릴레이들이 값비싸며 배선 단가도 매우 높기 때문에 운영 비용이 높아진다는 사실이 불리하다.

전자 제어 시스템이 없는 가열 시스템, 다시 말하면 위에 언급된 유형의 아날로그 작동 형태의 가열 장치들은 다수의 다른 공급자로부터 시판되고 있다.

그러나, 본 발명이 기반으로 하는 목적은 아날로그 수단을 통해, 다시 말하면 마이크로프로세서에 의해 제어 또는 조정되지 않는 아날로그 수단을 통해 동작하는 앞서 언급된 유형의 방법으로서, 접속 단계에서의 전류 부하가 상당히 감소되게 하는 방법을 구현하는 데 있다.

이러한 목적은 본 발명에 따른 청구항 제1항에 기재된 방법에 의해 달성된다.

특히, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 설계들 및 부가적인 개선점들은 청구항 제2항 내지 제7항의 목적이다.

본 발명에 따른 방법에서는 접속 단계에서 시간 지연을 기반으로 하여 전력이 증가되기 때문에, 접속 단계에서 높은 서지 전류가 회피되며 전력 공급원 수단에 걸린 부하가 감소된다.

본 발명에 따른 방법은 조건부 고장 진단 및 부족 전압 및 과전압 보호가 달성될 수 있으며 개별 가열 라인들이 시간을 기반으로 하여 차례로 온 상태로 스위 칭되는 다중 스테이지 가열 장치를 작동시키는 종래 기술의 방법과 비교해 볼 때, 모든 가열 라인이 동시에 작동되기 때문에 균일한 온도 분포가 가열 장치에서 달성될 수 있는 부가적인 이점을 지닌다.

본 발명에 따른 가열 장치의 작동을 위해 어떠한 기계식 릴레이도 제공되지 않기 때문에, 어떠한 스위칭 잡음도 존재하지 않고, 서비스 수명이 연장되는데, 그 이유는 어떠한 기계식 구성요소들도 존재하지 않기 때문이며, 배선 비용이 상당히 감소되고 단가가 감소된다.

본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 실시예가 이하 관련 도면을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 대응하는 릴레이 제어 기능을 갖는 기계식 릴레이를 통해 아날로그 작동 형태의 가열 장치를 작동시키기 위한 종래 방법으로 이루어진 가열 시스템이 접속 단계에서 온 상태로 스위칭됨으로써 전류가 처음 수 초 이내에 급격하게 증가하게 된다. 여기서, 정격 전류의 2배에 해당하는 전류가 흐를 수 있는데, 이러한 전류를 통해 전력 공급원 네트워크에 중부하(heavy load)가 걸리게 된다. 이러한 경우가 곡선(A)으로 도 1에 도시되어 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 시간 전력 지연(time power delay)은 접속 단계에서의 가열 장치의 전력이 시간 지연되거나 또는 규정된 제한적 방식으로 증가되게 하는 회로에서 제공된다. 이는 스테이지별로 또는 램프(ramp)와 같은 방식으로, 그리고 연속해서 생길 수 있으며, 예를 들면 펄스 폭 변조 비율에 있어서의 시간 지연되거나 규정된 증가로 인해 펄스 폭 변조(PWM; pulse width modulation) 를 통한 가열 장치의 동작으로 달성될 수 있다. 그러한 증가는 예를 들면 통합된 저항-용량 결합에 의해 제어될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 예를 들면, T = 20s인 규정된 시정수는 이러한 시간(T)이 지날 때까지 가열 장치가 정격 조건들에 따라 작동하지 않게 하는 회로에서 제공될 수 있다. 이러한 경우가 곡선(B)으로 도 1에 도시되어 있다. 상기 시정수는 30s에 이르기까지 존재할 수 있다.

전자 스위치들은 본 발명에 따른 방법으로 제공된 전력의 시간 지연 또는 규정된 제한적 증가를 위해 사용된다. 또한, 펄스 폭 변조(PWM) 신호의 고장 진단(fault diagnosis) 및 개연성 시험(plausibility testing)의 가능성이 또한 존재한다.

부족전압 또는 과전압 보호 기능도 제공될 수 있으며 온도 감시가 최대 온도 제한 및 이러한 온도에 이르게 될 때 공기 조화 시스템(air conditioning system)용 가열 장치의 경우에, 예를 들어 만약 환기 장치가 오작동한다면 손상이 방지되도록 하는 접속 단절을 통해 가능하다. 자동차 엔진의 흡입 공기를 예비가열하기 위한 플랜지 가열용 가열 장치들에서조차도 너무 높은 하우징 플랜지 온도가 회피될 수 있다.

도 2에는 도시된 실시예에서 3개의 정 온도 계수(PTC) 가열 로드(rod)(1)로 이루어진 정 온도 계수(PTC) 가열 장치를 작동시키기 위한 단일 또는 다중 스테이지 전자 제어 회로는 전압 공급원(2)을 포함하며, 상기 전압 공급원(2)은 시판되고 있는 통합 형태의 조정가능한 전압 레귤레이터로 이루어져 있을 수 있다.

구형파(square wave) 발진기 또는 클록 발진기(3)는 스위치들 및 구동부(4)를 통해 가열 스테이지들을 작동시키는데 도움을 주는 구형파 신호를 생성한다. 각각의 작동 신호가 120°위상 천이를 갖는 3개의 작동 신호는 3개의 작동 신호 각각이 120°위상 천이를 갖도록 이러한 전력 스위치들(4)을 시간 조정함으로써 주공급원의 부하를 감소시키도록 형성된다.

상기 구형파 발진기 또는 클록 발진기(3)는 아날로그 클록 생성기 또는 디지털 클록 생성기일 수 있다.

상기 위상 천이는 상기 가열 시스템을 작동시키기 위한 주전력의 펄스 부하를 감소시키는데 도움을 주는 위상 표시형 작동 신호들을 생성하는 블록(5)에서 생성된다.

상기 위상 천이는 디지털 방식으로 이루어질 수 있다.

설계 변경에 따라, 인터페이스(6)에서의 가열 요구가 단선 또는 2선 인터페이스를 통해 전자 장치들에 송신된다. 예를 들면 12V를 통해 활성화가 고 레벨 작동 상태로 이루어지며, 여기서 저 레벨 작동 상태로의 활성화, 다시 말하면 접지로의 스위칭은 또한 가열 신호로서 가능하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 케이블을 통해 단지 한 개의 가열 전력 스테이지에서 작동이 이루어지거나 또는 2개의 케이블을 통해 여러 개의 가열 전력 스테이지에서 작동이 이루어진다.

도 3에는 외부로부터 사전에 결정된 펄스 폭 변조(PWM)가 연속적인 전력 변화를 허용한다는 점에서 도 2에 도시된 전자 회로의 실시예와는 다른 실시예가 도 시되어 있다. 외부로부터 사전에 결정된 펄스 폭 변조(PWM)는 아날로그 디지털 변환기(7)를 통해 함께 통합된다. 이리하여, 결과적으로 생성된 아날로그 전압은 가열 로드(1)에 대한 최종 말단 위상을 시간 조정하기 위한 소정의 값으로서 사용된다. 이것이 의미하는 것은 가열 스테이지의 접속 시간이 사전에 결정된 펄스 폭 변조(PWM)에 따라 변화된다는 것을 의미한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 도 3에는 가열 요구가 선형 전력 제어 기능을 갖는 펄스 폭 변조(PWM) 신호의 형태로 제공된다.

스위치들 및 구동부(4)를 작동시키기 위한 펄스 폭 변조(PWM)를 생성하기 위해, 각각의 디지털 신호가 120°위상 천이를 갖는 디지털 신호들은 먼저 블록(8)에서 변형된다. 이는 클록 신호의 상승 구간들의 시간 확장을 초래하는 RC 저역 통과를 통해 수행된다. 펄스 폭 변조된 출력 신호는 연산 증폭기의 반전 입력에 걸린 RC 결합의 전압 레벨을 비-반전단에 걸린 전위와 비교함으로써 얻어진다.

도 4에는 가열 시스템의 시동 동안, 다시 말하면 가열 장치의 접속 단계 동안 PWM 제어 전압을 생성하기 위한 회로의 제1 실시예의 회로 구조가 도시되어 있다.

펄스 폭 변조(PWM) 제어 전압은 가열 과정의 시동 단계에서 펄스 폭 변조(PWM)의 클록 비율을 연속해서 증가시키는데 사용된다. 펄스 폭 변조(PWM) 제어 전압의 램프와 같은 구간을 생성하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 반전 적분기가 제공된다. 2개의 스테이지에서 상승 경사도가 변화된다. 제1 스테이지에서는, 가능한 한 신속하게 정 온도 계수(PTC) 가열 장치를 가열하기 위해 비교적 가파른 상승 이 존재한다. 가열 로드(1)의 온도가 가파르게 상승하기 때문에, 스위치들(4)은 단지 가열 장치의 최대 전류 소비 범위에서 단시간 동안만 작동된다. 이를 통해 스위치들(4)의 가열이 감소된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 이는 "가열 요구(heating demand)" 신호가 수신될 경우에 저항(R4)을 통해 적분될 전압을 사전에 결정함으로써 달성된다. 제2 스테이지에서, 적분될 전압은 ICIA의 출력에 걸린 제어 전압(U_st)을 임의로 규정가능한 기준 전위와 비교함으로써 감소되는데, 이를 통해 제어 전압(U_st)의 상승이 느려진다. 가열 장치가 오프 상태로 스위칭될 경우에, 상기 적분기의 커패시터(C1)는 저항들(R15,R16)로부터 발생된 분할 전압을 통해 신속하게 충전된다. 이는 접속 단절 동안 전압 곡선의 경사도에 영향을 준다.

도시되지 않은 실시예에서는, 제어 전압(U_st)의 느린 상승이 또한 디지털 아날로그 변환과 관련하여 디지털 계수기의 사용을 통해 달성될 수 있다.

도 5에 도시된 실시예는 순환 반전 적분기에 대응하며 도 4에 도시된 실시예와 유사한 원리를 통해 작동한다. 그러나, 도 5에서는 위상 천이 로직에 의해 생성된 신호가 클록 비율로 IC5B를 통해 적분되고, 이에 대한 결과로서, 도 4에 도시된 설계와는 달리, 요구된 대략 30초의 시정수가 값비싼 특정 구성요소들 없이도 달성될 수 있다. IC5A는 펄스 폭 변조(PWM) 제어 전압(U_st)의 레벨을 감시하고 기존의 가열 요구들에 따라 이를 제한한다. 제어 전압의 제한 레벨들은 전압 부품들(R39,R40; R39,R41) 각각에 의해 설정된다.

본 발명에 따른 방법이 정 온도 계수(PTC) 가열 장치의 실시예를 참조하여 위에 설명되었지만, 특히 전기 펌프, 전기 모터, 자석 코일 따위와 같은 정격 전류에 비해 제조시 매우 높은 전류가 생성되는 다른 소비재들에도 사용될 수 있다.

본 발명의 전기 소비재의 작동 방법은 아날로그 수단을 통해, 다시 말하면 마이크로프로세서에 의해 제어 또는 조정되지 않는 아날로그 수단을 통해 동작하는 앞서 언급된 유형의 방법으로서, 접속 단계에서의 전류 부하가 상당히 감소되게 한다.

Claims

자동차와 같은 이동 장치용의 아날로그 작동 형태의 정 온도 계수(PTC) 가열 장치, 전기 펌프, 전기 모터, 자석 코일 따위와 같은 정격 전류에 비해 제조시 매우 높은 전류가 생성되는 전기 소비재의 작동 방법에 있어서, 상기 전기 소비재의 전력이 접속 단계에서 규정된 제한적 방식으로 증가되는 것을 특징으로 하는 전기 소비재의 작동 방법.
제1항에 있어서, 상기 전기 소비재의 전력은 30초에 이르기까지의 기간에 걸쳐 규정된 제한적 범위로 접속 이후에 증가되는 것을 특징으로 하는 전기 소비재의 작동 방법.
제1항에 있어서, 상기 전력은 스테이지별로 증가되는 것을 특징으로 하는 전기 소비재의 작동 방법.
제1항에 있어서, 상기 전력은 램프(ramp)와 같은 방식으로 연속해서 증가되는 것을 특징으로 하는 전기 소비재의 작동 방법.
제1항에 있어서, 상기 전기 소비재는 펄스 폭 변조로 작동되며, 상기 펄스 폭 변조 비율은 시간 지연을 기반으로 해서 증가되는 것을 특징으로 하는 전기 소 비재의 작동 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 장치에서 온도가 감시되며 최대 온도에 이르게 될 때 상기 가열 장치의 동작이 오프 상태로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 전기 소비재의 작동 방법.
제5항에 있어서, 상기 펄스 폭 변조 신호를 기반으로 하여 고장 진단 및/또는 개연성 검사가 수행되는 것을 특징으로 하는 전기 소비재의 작동 방법.