WO2018041787A1 - Electric heater and method for detecting overheating in such an electric heater - Google Patents

Electric heater and method for detecting overheating in such an electric heater Download PDF

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WO2018041787A1
WO2018041787A1 PCT/EP2017/071567 EP2017071567W WO2018041787A1 WO 2018041787 A1 WO2018041787 A1 WO 2018041787A1 EP 2017071567 W EP2017071567 W EP 2017071567W WO 2018041787 A1 WO2018041787 A1 WO 2018041787A1
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WO
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heating element
electric heater
current
overheating
change
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Application number
PCT/EP2017/071567
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German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander Krämer
Rainer Heck
Original Assignee
Dbk David + Baader Gmbh
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00Details of electric heating devices
    • H05B1/02Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227Applications
    • H05B1/023Industrial applications
    • H05B1/0236Industrial applications for vehicles

Definitions

  • the present invention relates to an electric heater and a
  • Such heaters can be used, for example, in motor vehicles for heating (heating) the room air in the passenger compartment and for heating the battery, for preheating the cooling water of water-cooled engines, for preheating the spark plugs in auto-ignition internal combustion engines, for heating fuel, for thawing operating fluids such as or
  • Headlight cleaning fluid and the urea solution of an SCR catalyst, etc. are used. Furthermore, 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 lack of or only temporarily available heat sources, such as an internal combustion engine.
  • the heating circuits are water circuits or a
  • Security provides and in which in particular undesirable tarnishing behavior is avoided or reduced. It is a further object of the invention to provide a method for detecting overheating of such an electric heater.
  • the heater according to the invention for heating fluid streams in particular of liquid such as water or water-glycol mixtures, has a heating element, a control device for controlling a heat output generated by the heating element and a
  • the heating element has an inductance which varies as a function of the temperature.
  • the inductance increases up to a limit temperature.
  • Overheat detection means is configured to detect a change in the current flowing through the heating element caused by a change in the inductance of the heating element, with one in advance
  • Limit can detect overheating of the electric heater or its heating element by changing the current flowing through the heating element current. Overheating can occur in particular when the electric heater is running dry, ie, for example, in the event of a fault, the fluid does not flow around it. By recognizing overheating can thus also a Dry run can be detected.
  • Heating element caused change of the current flowing through the heating element is also understood as the detection of a physical quantity from which this current or its change can be derived, in particular a physical quantity which is proportional to the current or its change.
  • a physical quantity which is proportional to the current or its change.
  • the physical quantity is the voltage across the shunt resistor which is proportional to the current flowing through the heating element.
  • Control device may be designed to control the heat output generated by more than one heating element. Accordingly, the
  • Overheat detection means configured to detect a change in the respective inductances of a plurality of heating elements caused changes in the currents flowing through the plurality of heating elements and to evaluate them, as explained above for a heating element by limiting value comparison with respect to overheating.
  • Heating element have a resistance that can also change with temperature.
  • the heating element preferably comprises a material whose relative permeability increases up to a limit temperature.
  • the increase of the relative permeability of the heating element with increasing temperature results in an increase of the inductance of the heating element with increasing temperature.
  • the heating element consists of such a material.
  • the heating element comprises a ferromagnetic material.
  • Ferromagnetic material is characterized by a particularly high relative permeability of ⁇ »1.
  • the heating element is made such a ferromagnetic material.
  • ferromagnetic material are, for example, iron, nickel and / or cobalt in question.
  • alloys comprising iron, nickel and / or cobalt are suitable with a relative permeability of pr »1.
  • an alloy of iron, chromium and aluminum can be used.
  • the electric heater according to the invention is preferably as
  • the Heating element is preferably designed as a heating wire.
  • Heating wires made of the above-mentioned materials, in particular alloys of iron, chromium and aluminum, are advantageously standard heating wires, which are freely available on the market.
  • the heater according to the invention for example, supplied with a voltage from a vehicle electrical system of a vehicle, therefore, a Bordnetzwellmaschine when starting the electric heater in comparison to PTC resistance heating wires using heaters can be reduced and thus improved. Furthermore, higher operating points can be achieved than with the use of PTC resistance heating wires. Thus, for example, when using a heating wire made of an alloy of iron, chromium and aluminum as a heating element, a maximum operating point of 1350 ° C can be achieved, resulting in a higher power density and a longer life. Furthermore, heating elements made of the materials mentioned by a minimum thermal capacity and inertia, which allows rapid detection of overheating.
  • the overheating detection device of the electric heater according to the invention, the functional safety of the electric heater can be ensured.
  • the overheat detection device determines whether the values determined by the Temperature-induced change in the inductance caused change in the current of the heating element exceeds a permissible value, so that overheating of the electric heater is detected and corresponding
  • Measures such as switching off the electric heater can be initiated.
  • the sensor element corresponds to the heating element. That
  • the heating element is not only used for heating, but also for detecting overheating.
  • a component, namely the heating element, can thus be used for two different purposes.
  • the overheating detecting means of the electric heater according to the invention preferably comprises a current measuring means for measuring the current flowing through the heating element, a differentiator for detecting a change in the current flowing through the heating element, a peak detector for detecting a maximum change in the current through the heating element
  • the overheating detection device is furthermore preferably designed such that it switches off the electric heater when initiating overheating or initiates a shutdown. For this purpose, the
  • Comparing means send a signal to the controller of the electric heater, which causes the control device to turn off the electric heater.
  • the current flowing through the heating element is also understood to mean a physical quantity, from which this current can be derived, in particular one which is proportional to this current
  • Overheating detection means may further comprise an amplifier.
  • the inventive method for detecting overheating of an electric heater is one of a change of Inductance of the heating element caused change in the current flowing through the heating element determined, compared the determined change in the current flowing through the heating element with a pre-defined limit and found when exceeding the predefined limit overheating.
  • a pre-defined limit Preferably, upon detection of overheating of the electric heater is turned off via the control device.
  • the current flowing through the heating element is measured, for determining the change of the current flowing through the heating element, the derivative thereof is formed, wherein the
  • Derivative represents the change in the current, the peak value of the derivative of the current flowing through the heating element determined and the determined
  • Peak value compared to the pre-defined limit As explained above, the current flowing through the heating element is also understood to be a physical quantity from which this current can be derived.
  • Fig. 2 is a schematic diagram of an inventive
  • Fig. 3 is a schematic representation of a
  • FIG. 4 shows a flowchart of a method according to the invention for Detecting overheating of an electric heater according to the invention.
  • Dimensions given in the figures are purely exemplary in nature.
  • the electric heater 1 according to the invention is preferably designed as a water heater, as e.g. is provided in the circulation of an operating fluid, such as cooling water, in a vehicle.
  • the electric heater 1 is preferably designed as a tubular heating element (RHK) or a cylindrical heating element with a wire-shaped heating element 2 (cf., FIG. 2).
  • RHK tubular heating element
  • a corresponding water heater is known, for example, from DE 10 2010 060 446 A1 of the Applicant, so that with regard to the specific construction of the water heater, reference may be made to the statements in this document.
  • the concrete structure plays only one
  • the electrical heater 1 is preferably supplied with voltage from a vehicle electrical system of a vehicle, the vehicle electrical system voltage in particular being a high-voltage voltage used in a vehicle, which is typically between approximately 120 V and approximately 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 example of a course of a temperature-dependent inductance of the electric heater 1 designed as a tubular heater over the temperature. As shown in Figure 1, the inductance increases up to one
  • 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 with increasing temperature on.
  • the heating element 2 is preferably made of ferromagnetic material having a relative permeability ⁇ cauliflower
  • the heating element 2 is connected to a supply voltage U_HV, e.g. A voltage of a vehicle electrical system or a battery of a vehicle, and to the other terminal via a switch SW1 to ground (in Figure 2: reference potential "0") .
  • U_HV supply voltage
  • the series circuit of inductance L_RHK and resistor R_RHK is preferably a diode D1 connected in parallel
  • the cathode of the diode D1 is connected to the
  • the switch SW1 is formed, for example, as a transistor circuit, and its state is controlled by the control device 3.
  • the switch SW1 may be part of the control device 3. Is the switch SW1 in
  • the control device 3 is preferably designed as power electronics in the form of a pulse width modulation (PWM) circuit, which at preferably constant frequency or period duration, the duty cycle of a rectangular pulse, i. controls the width of the square pulse forming pulses, the square pulse forms the input and control signal for the switch SW1.
  • PWM pulse width modulation
  • the electric heater 1 according to the invention further comprises a
  • Overheat detection device 4 for detecting overheating of the electric heater 1 or its heating element 2 (see Figures 2 and 3a)).
  • the overheat detection device 4 preferably comprises a
  • the current measuring device 5 measures a current flowing through the heating element 2.
  • the current measuring device 5 is preferably formed by a shunt resistor R_Shunt (Rshunt 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 at this a voltage drop (voltage Ushunt in FIG. 3), which is proportional to the current flowing through the heating element 2. That the voltage Ushunt dropped across the shunt resistor R_Shunt is proportional to the current ⁇ ⁇ flowing through the heating element 2. Changes
  • the edge steepness of the current pulses of the current IHeiz is dependent on the size of the inductance L_RHK of the heating element 2, which in turn depends on the temperature. Accordingly, the slope is the of the
  • Current measuring device 5 detected pulses of the voltage Ushunt on the size of the inductance L RHK of the heating element 2, since the voltage Ushunt is proportional to the current flowing through the heating element 2 ⁇ . If the heater 1 according to the invention is supplied with an alternating voltage, such as
  • a measuring bridge circuit which the phase difference or the zero crossing of the current through the
  • Heating element measures.
  • Heating element 2 is lower than normally without overheating, is
  • Overheat detection device 4 on a differentiator 6 The
  • Differentiator 6 determines the change in the current iHeiz or the voltage Ushunt, which follows in particular from a temperature-dependent change in the inductance L_RHK of the heating element 2.
  • the differentiator 6 forms the derivative of the voltage Ushunt, which is proportional to the derivative of the current IHeiz and which is referred to in Figure 3 as UDitr.
  • the differentiator 6 may be formed, for example, as a high-pass circuit with a capacitor C1 and a resistor R1, wherein a terminal of the capacitor C1 to an unspecified node between the switch SW1 and the shunt resistor R_Shunt and the other terminal of the capacitor C1 to the resistor R1 is connected, which in turn is connected to the other terminal to ground.
  • Differentiator 6 is higher in magnitude in the event of a fault overheating than in the normal case (see Figures 3b) and 3c)) because of the higher edge steepness of the voltage Ushunt.
  • the differentiator an amplifier 7 is connected downstream, which by a
  • Operational amplifier 10 can be realized, which is operated with a supply voltage VCC.
  • the operational amplifier 10 is preferably as
  • Operational amplifier 10 corresponds to the amplified output voltage UDiff of the differentiator 6, wherein the output voltage Uverst of the amplifier 7 in the event of an error of overheating in terms of magnitude higher in the normal case (see Figures 3b) and 3c)).
  • the amplifier 7 can be so
  • the amplifier 7 is followed by a peak detector 8, which determines the maximum change, in particular the maximum derivative, of the current iHeiz flowing through the heating element 2 during operation.
  • the peak detector 8 determines the maximum value of
  • the peak detector 8 has the output voltage Uverst as
  • the peak detector 8 has a diode D2 for rectifying the output voltage Uverst of the amplifier 7, wherein the anode of the diode D2 is connected to the output of the amplifier 7 and the cathode of the diode D1 to a terminal of a resistor R4 of the peak detector 8. The other terminal of the resistor R4 is connected to a terminal of a
  • Condenser C2 of the peak detector 8 is connected, whose other terminal is grounded.
  • the voltage U peak falling 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 UDOT of the differentiator 6
  • the output voltage Uverst of the amplifier 7 is greater than the output voltage Uverst of the amplifier 7 in the normal case. Accordingly, the output voltage is US P it ze of
  • Peak detector 8 at an overheating greater than normal see Figures 3b) and 3c)).
  • the peak detector 8 is a comparator 9
  • a microcontroller 11 which comprises a working and program memory (not shown, hereinafter referred to as: memory).
  • the microcontroller 11 is connected between the resistor R4 and the capacitor C2 of the peak detector 8.
  • a predefined limit value for overheating detection is preferably stored, with which the output voltage U peak of the peak value detector 8 is compared.
  • the comparison device 9 or its microcontroller 11 leads
  • Peak detector 8 by that it compares the peak voltage U peak with the pre-defined limit (in Figure 3: error threshold).
  • the comparison can be carried out by a stored in the memory of the microcontroller 11 program.
  • the limit value is defined in advance such that a
  • Exceeding the limit value means overheating of the electric heater 1 or of its heating element 2. If the peak value Uspitze exceeds the predefined limit value, then the comparison device 9 (and thus the overheating detection device 4) determines overheating of the electrical heater 1. If the peak value U peak is below the limit value or if the peak value U peak is equal to the limit value, then the comparison device 9 determines that the electrical heater 1 is in the normal state and there is no overheating. In the case of overheating controls the comparator 9 and their
  • Microcontroller 11 the control device 3 of the electric heater 1 preferably in such a way that it opens the switch SW1 and thus the power supply of the heating element 2 interrupts to ensure the functional safety.
  • FIG. 4 shows a flow chart of a preferred embodiment of the inventive method for detecting overheating of an electric heater 1 according to the invention, as shown by way of example in FIG. 2
  • step 20 the current flowing through the heating element 2 I Wien or a physical quantity from which this current is derivable, such as the voltage Ushunt on the shunt resistor R_Shunt (also: Rs unt) of
  • Overheat detection device 4 measured.
  • step 21 is for determining a change, in particular a temperature-induced change, by the heating element 2 flowing current i heating the derivative of the current iHeiz determined by means of a differentiator 6 of the overheat detection device 4.
  • the determined change in the current IHeiz is amplified by an amplifier 7 of the overheating detection device 4.
  • step 23 the peak value of the derivative of the current IHeiz 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 determined.
  • the determined peak value is compared with the predefined limit value with the aid of the comparison device 9 of the overheating detection device 4. If the peak exceeds the limit, then the
  • Comparative device 9 and the overheat detection device 4 in step 24 determines that there is an overheating of the electric heater 1.

Abstract

The invention relates to an electric heater (1) for heating fluid streams with a heating element (2) and a control device (3) for controlling a heat output produced by the heating element (2), wherein the heating element (2) has an inductance (L_RHK) that changes on the basis of the temperature, and wherein an overheating detection device (4) is provided that is configured to sense a change in the current (Iheat) flowing through the heating element (2) caused by a change in the inductance (L_RHK) and to compare said sensed change with a previously defined limit value and to determine overheating in the electric heater (1) in the event of the limit value being exceeded. The invention further relates to a method for detecting overheating in such an electric heater (1).

Description

Elektrischer Heizer und Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung  Electric heater and method for detecting overheating
eines solchen elektrischen Heizers Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Heizer und ein The present invention relates to an electric heater and a
Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines solchen elektrischen Heizers. Method for detecting overheating of such an electric heater.
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  Such heaters can be used, for example, in motor vehicles for heating (heating) the room air in the passenger compartment and for heating the battery, for preheating the cooling water of water-cooled engines, for preheating the spark plugs in auto-ignition internal combustion engines, for heating fuel, for thawing operating fluids such as or
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. Headlight cleaning fluid and the urea solution of an SCR catalyst, etc. are used. Furthermore, such heaters can be used in so-called white goods such as a tumble dryer or a washing machine.
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  Especially in modern vehicles, such as electrically powered vehicles, hybrid vehicles or fuel cell vehicles, which use high electrical voltages in their electrical system, heating circuits must be heated due to lack of or only temporarily available heat sources, such as an internal combustion engine. Typically, the heating circuits are water circuits or a
Wasserumlaufsystem. Water circulation system.
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  Since the engine heat in such modern vehicles is not or only to a limited extent available as a heat supplier, electrical heaters are typically used which a PTC resistance wire as
Heizelement aufweisen (siehe beispielsweise die DE 10 2014 108 074 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-Eisen-Legierung) als PTC- Widerstandsdrähte eingesetzt werden. Have heating element (see, for example, DE 10 2014 108 074 A1). However, the startup behavior of PTC resistance wires at low temperatures is often characterized by undesirably high current peaks, which may be a factor of 3.5 above the value corresponding to the temperature according to the characteristic curve. Furthermore, the maximum allowable operating point is usually at 600 ° C so that the average operating point should not exceed about 400 ° C so as not to excessively shorten the life of the PTC resistance wire. As a rule, only heating wires made of special material (such as Nifethal®, a nickel-iron alloy) can be used as PTC resistance wires.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Heizer mit einer hohen Lebensdauer bereitzustellen, welcher eine hohe funktionale  It is an object of the present invention to provide an electric heater with a long service life, which has a high functional
Sicherheit bietet und bei welchem insbesondere unerwünschtes Anlaufverhalten vermieden bzw. reduziert ist. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines derartigen elektrischen Heizers bereitzustellen. Security provides and in which in particular undesirable tarnishing behavior is avoided or reduced. It is a further object of the invention to provide a method for detecting overheating of such an electric heater.
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.  This object is achieved by an electric heater for heating fluid streams and a method for detecting overheating of such an electric heater having the features of the independent claims.
Der erfindungsgemäße Heizer zum Erwärmen von Fluidströmen, insbesondere von Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser oder Wasser-Glykol- Mischungen, weist eine Heizelement, eine Steuereinrichtung zum Steuern einer von dem Heizelement erzeugten Wärmeleistung und eine  The heater according to the invention for heating fluid streams, in particular of liquid such as water or water-glycol mixtures, has a heating element, a control device for controlling a heat output generated by the heating element and a
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 Overheat detection device on. The heating element has an inductance which varies as a function of the temperature. Preferably, the inductance increases up to a limit temperature. The
Überhitzungserkennungseinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie eine von einer Änderung der Induktivität des Heizelements verursachte Änderung des durch das Heizelement fließenden Stroms erfasst, mit einem vorab  Overheat detection means is configured to detect a change in the current flowing through the heating element caused by a change in the inductance of the heating element, with one in advance
definierten/festgelegten Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten des the defined / specified limit value is exceeded and if the limit value is exceeded
Grenzwerts durch die Änderung 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. Limit can detect overheating of the electric heater or its heating element by changing the current flowing through the heating element current. Overheating can occur in particular when the electric heater is running dry, ie, for example, in the event of a fault, the fluid does not flow around it. By recognizing overheating can thus also a Dry run can be detected.
Unter der Erfassung einer von einer Änderung der Induktivität des  Under the detection of a change of the inductance of the
Heizelements verursachten Änderung des durch das Heizelement fließenden Stroms sei auch das Erfassen einer physikalischen Größe verstanden, aus welcher dieser Strom bzw. dessen Änderung herleitbar sind, insbesondere einer physikalischen Größe, welche zu dem Strom bzw. dessen Änderung 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. Heating element caused change of the current flowing through the heating element is also understood as the detection of a physical quantity from which this current or its change can be derived, in particular a physical quantity which is proportional to the current or its change. For example, when the current flowing through the heating element is measured by means of a shunt resistor connected in series with the heating element, the physical quantity is the voltage across the shunt resistor which is proportional to the current flowing through the heating element.
Es kann mehr als ein Heizelement vorgesehen sein, und die  It can be provided more than one heating element, and the
Steuereinrichtung kann zur Steuerung der von mehr als einem Heizelement erzeugten Wärmeleistung ausgestaltet sein. Entsprechend kann die Control device may be designed to control the heat output generated by more than one heating element. Accordingly, the
Überhitzungserkennungseinrichtung ausgestaltet sein, eine von Änderungen der jeweiligen Induktivitäten von mehreren Heizelementen verursachten Änderungen der durch die mehreren Heizelemente fließenden Ströme zu erfassen und diese, wie oben für ein Heizelement erläutert, durch Grenzwertvergleich bezüglich einer Überhitzung auszuwerten. Overheat detection means configured to detect a change in the respective inductances of a plurality of heating elements caused changes in the currents flowing through the plurality of heating elements and to evaluate them, as explained above for a heating element by limiting value comparison with respect to overheating.
Zusätzlich zu der sich mit der Temperatur ändernden Induktivität kann das In addition to the temperature varying inductance, the
Heizelement einen Widerstand aufweisen, der sich ebenfalls mit der Temperatur ändern kann. Heating element have a resistance that can also change with temperature.
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.  The heating element preferably comprises a material whose relative permeability increases up to a limit temperature. The increase of the relative permeability of the heating element with increasing temperature results in an increase of the inductance of the heating element with increasing temperature. Preferably, the heating element consists of such a material.
Besonders bevorzugt umfasst das Heizelement ein ferromagnetisches Material. Ferromagnetisches Material zeichnet sich durch eine besonders hohe relative Permeabilität von μτ » 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 pr » 1 geeignet. Insbesondere kann eine Legierung aus Eisen, Chrom und Aluminium eingesetzt werden. Particularly preferably, the heating element comprises a ferromagnetic material. Ferromagnetic material is characterized by a particularly high relative permeability of μτ »1. Preferably, the heating element is made such a ferromagnetic material. As ferromagnetic material are, for example, iron, nickel and / or cobalt in question. Likewise, alloys comprising iron, nickel and / or cobalt are suitable with a relative permeability of pr »1. In particular, an alloy of iron, chromium and aluminum can be used.
Der erfindungsgemäße elektrische Heizer ist vorzugsweise als  The electric heater according to the invention is preferably as
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. Pipe radiator configured, which comprises the heating element. The heating element is preferably designed as a heating wire. Heating wires made of the above-mentioned materials, in particular alloys of iron, chromium and aluminum, are advantageously standard heating wires, which are freely available on the market.
Heizelemente aus den oben genannten Materialien weisen  Heating elements of the above materials have
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. advantageously substantially no undesired tarnishing behavior, i. No unwanted current peaks during start-up / heating from the cold state. If the heater according to the invention, for example, supplied with a voltage from a vehicle electrical system of a vehicle, therefore, a Bordnetzwelligkeit when starting the electric heater in comparison to PTC resistance heating wires using heaters can be reduced and thus improved. Furthermore, higher operating points can be achieved than with the use of PTC resistance heating wires. Thus, for example, when using a heating wire made of an alloy of iron, chromium and aluminum as a heating element, a maximum operating point of 1350 ° C can be achieved, resulting in a higher power density and a longer life. Furthermore, heating elements made of the materials mentioned by a minimum thermal capacity and inertia, which allows rapid detection of overheating.
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 die durch die temperaturbedingte Änderung der Induktivität hervorgerufene Änderung des Stroms des Heizelements einen zulässigen Wert überschreitet, sodass eine Überhitzung des elektrischen Heizers erkannt wird und entsprechende The overheating detection device of the electric heater according to the invention, the functional safety of the electric heater can be ensured. By comparison with a predefined / established limit value, the overheat detection device determines whether the values determined by the Temperature-induced change in the inductance caused change in the current of the heating element exceeds a permissible value, so that overheating of the electric heater is detected and corresponding
Maßnahmen wie ein Abschalten des elektrischen Heizers eingeleitet werden können. Measures such as switching off the electric heater can be initiated.
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.  Advantageously, in the case of the electrical heater according to the invention, the sensor element corresponds to the heating element. That The heating element is not only used for heating, but also for detecting overheating. A component, namely the heating element, can thus be used for two different purposes.
Die Überhitzungserkennungseinrichtung des erfindungsgemäßen elektrischen Heizers umfasst vorzugsweise eine Strommesseinrichtung zum Messen des durch das Heizelement fließenden Stroms, einen Differenzierer zur Ermittlung einer Änderung des durch das Heizelement fließenden Stroms, einen Spitzenwertdetektor zum Ermitteln einer maximalen Änderung des durch das The overheating detecting means of the electric heater according to the invention preferably comprises a current measuring means for measuring the current flowing through the heating element, a differentiator for detecting a change in the current flowing through the heating element, a peak detector for detecting a maximum change in the current through the heating element
Heizelement fließenden Stroms und eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der maximalen Änderung 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 dieHeating element flowing current and a comparing means for comparing the maximum change of the current flowing through the heating element with the pre-defined limit. The overheating detection device is furthermore preferably designed such that it switches off the electric heater when initiating overheating or initiates a shutdown. For this purpose, the
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 Comparing means send a signal to the controller of the electric heater, which causes the control device to turn off the electric heater. As described above, the current flowing through the heating element is also understood to mean a physical quantity, from which this current can be derived, in particular one which is proportional to this current
physikalische Größe wie beispielsweise eine über einem zu dem Heizelement in Reihe geschalteten Shunt-Widerstand abfallende Spannung. Die physical quantity such as a voltage drop across a shunt resistor connected in series with the heating element. The
Überhitzungserkennungseinrichtung kann außerdem einen Verstärker umfassen. Overheating detection means may further comprise an amplifier.
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 durch das Heizelement fließenden Stroms ermittelt, die ermittelte Änderung 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. In the inventive method for detecting overheating of an electric heater according to the invention is one of a change of Inductance of the heating element caused change in the current flowing through the heating element determined, compared the determined change in the current flowing through the heating element with a pre-defined limit and found when exceeding the predefined limit overheating. Preferably, upon detection of overheating of the electric heater is turned off via the control device.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise der durch das Heizelement fließende Strom gemessen, zum Ermitteln der Änderung des durch das Heizelement fließenden Stroms dessen Ableitung gebildet, wobei die  In the method according to the invention, preferably, the current flowing through the heating element is measured, for determining the change of the current flowing through the heating element, the derivative thereof is formed, wherein the
Ableitung die Änderung des Stroms repräsentiert, der Spitzenwert der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms ermittelt und der ermittelte Derivative represents the change in the current, the peak value of the derivative of the current flowing through the heating element determined and the determined
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. Peak value compared to the pre-defined limit. As explained above, the current flowing through the heating element is also understood to be a physical quantity from which this current can be derived.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the
Unteransprüchen und aus den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen: Subclaims and from the embodiments illustrated below with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 einen beispielhaften Verlauf einer Induktivität eines  1 shows an exemplary course of an inductance of a
erfindungsgemäßen elektrischen Heizers bzw. von dessen Heizelement in electric heater according to the invention or of the heating element in
Abhängigkeit von der Temperatur, Depending on the temperature,
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen  Fig. 2 is a schematic diagram of an inventive
elektrischen Heizers, electric heater,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer  Fig. 3 is a schematic representation of a
Überhitzungserkennungseinrichtung eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizers (Fig. 3a)), schematische Kurvenverläufe der in der Overheating detection device of an electric heater according to the invention (Fig. 3a)), schematic curves of the in the
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  Overheat detection device occurring physical quantities over time in case of overheating (Figure 3b)) and schematic curves of the same occurring in the superheat detection device physical quantities as in Fig. 3b) in the normal state (Fig. 3c)) and
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. 4 shows a flowchart of a method according to the invention for Detecting overheating of an electric heater according to the invention. Dimensions given in the figures are purely exemplary in nature.
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 The electric heater 1 according to the invention, as shown in FIG. 2 described below, is preferably designed as a water heater, as e.g. is provided in the circulation of an operating fluid, such as cooling water, in a vehicle. For this purpose, the electric heater 1 is preferably designed as a tubular heating element (RHK) or a cylindrical heating element with a wire-shaped heating element 2 (cf., FIG. 2). A corresponding water heater is known, for example, from DE 10 2010 060 446 A1 of the Applicant, so that with regard to the specific construction of the water heater, reference may be made to the statements in this document. For the understanding of the present invention, however, the concrete structure plays only one
untergeordnete Rolle, da unterschiedliche Heizertypen gemäß der Erfindung ausgestaltet und betrieben werden können. subordinate role, since different types of heaters can be designed and operated according to the invention.
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.  The electrical heater 1 is preferably supplied with voltage from a vehicle electrical system of a vehicle, the vehicle electrical system voltage in particular being a high-voltage voltage used in a vehicle, which is typically between approximately 120 V and approximately 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.
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  Figure 1 shows an example of a course of a temperature-dependent inductance of the electric heater 1 designed as a tubular heater over the temperature. As shown in Figure 1, the inductance increases up to one
Grenztemperatur zu. Der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen elektrischen Heizers 1 liegt unterhalb dieser Grenztemperatur von dessen Heizelement 2. Limit temperature too. The working range of the electric heater 1 according to the invention is below this limit temperature of the heating element. 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 μτ » . Figure 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 with increasing temperature on. For this purpose, the heating element 2 is preferably made of ferromagnetic material having a relative permeability μτ ».
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  The heating element 2 is connected to a supply voltage U_HV, e.g. A voltage of a vehicle electrical system or a battery of a vehicle, and to the other terminal via a switch SW1 to ground (in Figure 2: reference potential "0") .The series circuit of inductance L_RHK and resistor R_RHK is preferably a diode D1 connected in parallel The cathode of the diode D1 is connected to the
Versorgungsspannung U_HV angeschlossen. Supply voltage U_HV connected.
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  The switch SW1 is formed, for example, as a transistor circuit, and its state is controlled by the control device 3. The switch SW1 may be part of the control device 3. Is the switch SW1 in
geschlossenen Zustand, so fließt Strom (Heizstrom Ι ΗΘΙΖ) 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 bevorzugt 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. closed state, so current (heating current Ι ΗΘΙΖ) flows through the heating element 2 and the heating element 2 generates heat. If the switch SW1 is in the open state, then no current flows through the heating element 2. The ratio between the time duration of the closed state of the switch SW1 and the duration of the open state of the switch SW1 thus the heat generated by the heating element 2 by the control device 3 are controlled. Accordingly, the control device 3 is preferably designed as power electronics in the form of a pulse width modulation (PWM) circuit, which at preferably constant frequency or period duration, the duty cycle of a rectangular pulse, i. controls the width of the square pulse forming pulses, the square pulse forms the input and control signal for the switch SW1.
Der erfindungsgemäße elektrische Heizer 1 umfasst ferner eine  The electric heater 1 according to the invention further comprises a
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  Overheat detection device 4 for detecting overheating of the electric heater 1 or its heating element 2 (see Figures 2 and 3a)). The overheat detection device 4 preferably comprises a
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. Current measuring device 5, a differentiator 6, a peak detector 8 and a comparator 9. Further, an amplifier 7 may be provided, the is preferably connected between the differentiator 6 and the peak detector 8.
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 Ι ΗΘΙΖ. Ändert sich  The current measuring device 5 measures a current flowing through the heating element 2. The current measuring device 5 is preferably formed by a shunt resistor R_Shunt (Rshunt 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 at this a voltage drop (voltage Ushunt in FIG. 3), which is proportional to the current flowing through the heating element 2. That the voltage Ushunt dropped across the shunt resistor R_Shunt is proportional to the current Ι ΗΘΙΖ flowing through the heating element 2. Changes
temperaturbedingt die Induktivität L_RHK des Heizelements 2, so ändert sich entsprechend der durch das Heizelement 2 fließenden Strom i Heiz und somit die über dem Shunt-Widerstand R_Shunt abfallende Spannung Ushunt. Due to the temperature, the inductance L_RHK of the heating element 2, so changes according to the current flowing through the heating element 2 i heating and thus the voltage across the shunt resistor R_Shunt voltage 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  In the case of a pulse-width-modulated current flow through the heating element 2, the edge steepness of the current pulses of the current IHeiz is dependent on the size of the inductance L_RHK of the heating element 2, which in turn depends on the temperature. Accordingly, the slope is the of the
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 ΙΗΘΙΖ ist. Wird der erfindungsgemäße Heizer 1 mit einer Wechselspannung versorgt, wie Current measuring device 5 detected pulses of the voltage Ushunt on the size of the inductance L RHK of the heating element 2, since the voltage Ushunt is proportional to the current flowing through the heating element 2 ΙΗΘΙΖ. If the heater 1 according to the invention is supplied with an alternating voltage, such as
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 For example, when used in so-called white goods, so can be provided as a current measuring device 5 a measuring bridge circuit, which the phase difference or the zero crossing of the current through the
Heizelement misst. Heating element measures.
Da im Fehlerfall bei einer Überhitzung die Induktivität L_RHK des  In the event of an error in the event of overheating, the inductance L_RHK of the
Heizelements 2 niedriger als im Normalfall ohne Überhitzung ist, ist Heating element 2 is lower than normally without overheating, is
dementsprechend die Flankensteilheit des Stroms I Heiz bzw. der Spannung Ushunt im Fehlerfall einer Überhitzung höher als im Normalfall, wie in Figuren 3b) und 3c) dargestellt. Accordingly, the edge steepness of the current I Heiz or the voltage Ushunt in the event of an error of overheating higher than normally, as in Figures 3b) and 3c) shown.
Der Strommesseinrichtung 5 nachgeschaltet weist die  Downstream of the current measuring device 5 has the
Überhitzungserkennungseinrichtung 4 einen Differenzierer 6 auf. Der Overheat detection device 4 on a differentiator 6. The
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. Vorzugsweise bildet der Differenzierer 6 die Ableitung der Spannung Ushunt, welche proportional zu der Ableitung des Stroms IHeiz ist und welche in Figur 3 als UDitr 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 Differentiator 6 determines the change in the current iHeiz or the voltage Ushunt, which follows in particular from a temperature-dependent change in the inductance L_RHK of the heating element 2. Preferably, the differentiator 6 forms the derivative of the voltage Ushunt, which is proportional to the derivative of the current IHeiz and which is referred to in Figure 3 as UDitr. The differentiator 6 may be formed, for example, as a high-pass circuit with a capacitor C1 and a resistor R1, wherein a terminal of the capacitor C1 to an unspecified node between the switch SW1 and the shunt resistor R_Shunt and the other terminal of the capacitor C1 to the resistor R1 is connected, which in turn is connected to the other terminal to ground. The output voltage UDiff of
Differenzierers 6 ist wegen der höheren Flankensteilheit der Spannung Ushunt im Fehlerfall einer Überhitzung betragsmäßig höher als im Normalfall (siehe Figuren 3b) und 3c)). Differentiator 6 is higher in magnitude in the event of a fault overheating than in the normal case (see Figures 3b) and 3c)) because of the higher edge steepness of the voltage Ushunt.
Insbesondere um eine bessere Signalauflösung zu erreichen, ist dem Differenzierer ein Verstärker 7 nachgeschaltet, welcher durch einen  In particular, in order to achieve a better signal resolution, the differentiator an amplifier 7 is connected downstream, which by a
Operationsverstärker 10 realisiert sein kann, der mit einer Versorgungsspannung VCC betrieben wird. Der Operationsverstärker 10 ist vorzugsweise als Operational amplifier 10 can be realized, which is operated with a supply voltage VCC. The operational amplifier 10 is preferably as
nichtinvertierender Verstärker ausgebildet, an dessen nichtinvertierendem Eingang die Ausgangsgröße des Differenzierers 6, d.h. die Spannung Uratf, 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 Uveret (U1A in Figur 2) des noninverting amplifier, at whose noninverting input the output of the differentiator 6, i. the tension Uratf, is applied. To the output of the operational amplifier 10, a voltage divider is connected to the series-connected resistors R2 and R3, wherein the inverting input of the operational amplifier 10 is connected between the resistors R2 and R3. The output voltage Uveret (U1A in FIG. 2) of the
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 Operational amplifier 10 (and the amplifier 7) corresponds to the amplified output voltage UDiff of the differentiator 6, wherein the output voltage Uverst of the amplifier 7 in the event of an error of overheating in terms of magnitude higher in the normal case (see Figures 3b) and 3c)). The amplifier 7 can be so
ausgestaltet sein, dass er als Ausgangsspannung Uverst nur den positiven Puls einer Periode des Ausgangssignals UDIIT des Differenzierers 6 ausgibt. be configured such that it outputs as output voltage Uverst only the positive pulse of a period of the output signal UDIIT of the differentiator 6.
Dem Verstärker 7 ist ein Spitzenwertdetektor 8 nachgeschaltet, welcher die maximale Änderung, insbesondere die maximale Ableitung, des durch das Heizelement 2 fließenden Stroms iHeiz während des Betriebs ermittelt.  The amplifier 7 is followed by a peak detector 8, which determines the maximum change, in particular the maximum derivative, of the current iHeiz flowing through the heating element 2 during operation.
Insbesondere ermittelt der Spitzenwertdetektor 8 den maximalen Wert der In particular, the peak detector 8 determines the maximum value of
Ausgangsspannung Uverst des Verstärkers 7, d.h. den Spitzenwert der Spannung Uverst. Der Spitzenwertdetektor 8 hat die Ausgangsspannung Uverst als Output voltage Uverst of the amplifier 7, i. the peak value of the voltage Uverst. The peak detector 8 has the output voltage Uverst as
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 Input signal. The peak detector 8 has a diode D2 for rectifying the output voltage Uverst of the amplifier 7, wherein the anode of the diode D2 is connected to the output of the amplifier 7 and the cathode of the diode D1 to a terminal of a resistor R4 of the peak detector 8. The other terminal of the resistor R4 is connected to a terminal of a
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. Condenser C2 of the peak detector 8 is connected, whose other terminal is grounded. The voltage U peak falling across the capacitor C2 corresponds to the peak value of the voltage Uverst after one period of the voltage Uverst.
Für den Fehlerfall einer Überhitzung ist die Ausgangsspannung Uverst des Verstärkers 7 (d.h. die verstärkte Ausgangsspannung UDOT 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 In the event of an overheating fault, the output voltage Uverst of the amplifier 7 (ie the amplified output voltage UDOT of the differentiator 6), which corresponds to the increased edge steepness of the current iHeiz flowing through the heating element 2, is greater than the output voltage Uverst of the amplifier 7 in the normal case. Accordingly, the output voltage is US P it ze of
Spitzenwertdetektors 8 bei einer Überhitzung größer als im Normalfall (siehe Figuren 3b) und 3c)). Peak detector 8 at an overheating greater than normal (see Figures 3b) and 3c)).
Dem Spitzenwertdetektor 8 ist eine Vergleichseinrichtung 9  The peak detector 8 is a comparator 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 vorzugsweise ein vorab definierter Grenzwert für eine Überhitzungserkennung hinterlegt, mit welchem die Ausgangsspannung Uspitze des Spitzenwertdetektors 8 verglichen wird. downstream, which is preferably formed by a microcontroller 11, which comprises a working and program memory (not shown, hereinafter referred to as: memory). The microcontroller 11 is connected between the resistor R4 and the capacitor C2 of the peak detector 8. In the store a predefined limit value for overheating detection is preferably stored, with which the output voltage U peak of the peak value detector 8 is compared.
Die Vergleichseinrichtung 9 bzw. deren MikroController 11 führt  The comparison device 9 or its microcontroller 11 leads
dahingehend eine Signalauswertung des Ausgangssignals Uspitze des to a signal evaluation of the output signal U peak of
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  Peak detector 8 by that it compares the peak voltage U peak with the pre-defined limit (in Figure 3: error threshold). The comparison can be carried out by a stored in the memory of the microcontroller 11 program. The limit value is defined in advance such that a
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 Exceeding the limit value means overheating of the electric heater 1 or of its heating element 2. If the peak value Uspitze exceeds the predefined limit value, then the comparison device 9 (and thus the overheating detection device 4) determines overheating of the electrical heater 1. If the peak value U peak is below the limit value or if the peak value U peak is equal to the limit value, then the comparison device 9 determines that the electrical heater 1 is in the normal state and there is no overheating. In the case of overheating controls the comparator 9 and their
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. Microcontroller 11, the control device 3 of the electric heater 1 preferably in such a way that it opens the switch SW1 and thus the power supply of the heating element 2 interrupts to ensure the functional safety.
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  FIG. 4 shows a flow chart of a preferred embodiment of the inventive method for detecting overheating of an electric heater 1 according to the invention, as shown by way of example in FIG. 2
dargestellt ist. In Schritt 20 wird der durch das Heizelement 2 fließende Strom I Heiz bzw. eine physikalische Größe, aus welcher dieser Strom herleitbar ist, wie die Spannung Ushunt über dem Shunt-Widerstand R_Shunt (auch: Rs unt) der is shown. In step 20, the current flowing through the heating element 2 I Heiz or a physical quantity from which this current is derivable, such as the voltage Ushunt on the shunt resistor R_Shunt (also: Rs unt) of
Strommesseinrichtung 5, mittels der Strommesseinrichtung 5 der Current measuring device 5, by means of the current measuring device 5 of
Überhitzungserkennungseinrichtung 4 gemessen. Overheat detection device 4 measured.
In dem sich an Schritt 20 anschließenden Schritt 21 wird zum Ermitteln einer Änderung, insbesondere einer temperaturbedingten Änderung, des durch das Heizelement 2 fließenden Stroms i Heiz die Ableitung des Stroms iHeiz mittels eines Differenzierers 6 der Überhitzungserkennungseinrichtung 4 ermittelt. Im sich anschließenden Schritt 22 wird die ermittelte Änderung des Stroms IHeiz durch einen Verstärker 7 der Überhitzungserkennungseinrichtung 4 verstärkt. In the subsequent to step 20 step 21 is for determining a change, in particular a temperature-induced change, by the heating element 2 flowing current i heating the derivative of the current iHeiz determined by means of a differentiator 6 of the overheat detection device 4. In the subsequent step 22, the determined change in the current IHeiz is amplified by an amplifier 7 of the overheating detection device 4.
Im folgenden Schritt 23 wird der Spitzenwert der in Schritt 21 ermittelten und in Schritt 22 verstärkten Ableitung des Stroms IHeiz mittels eines  In the following step 23, the peak value of the derivative of the current IHeiz determined in step 21 and amplified in step 22 is determined by means of a
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 Peak value detector 8 of the overheating detection device 4 determined. In step 24, the determined peak value is compared with the predefined limit value with the aid of the comparison device 9 of the overheating detection device 4. If the peak exceeds the limit, then the
Vergleichseinrichtung 9 bzw. die Überhitzungserkennungseinrichtung 4 in Schritt 24 fest, dass eine Überhitzung des elektrischen Heizers 1 vorliegt. Comparative device 9 and the overheat detection device 4 in step 24 determines that there is an overheating of the electric heater 1.
Im sich anschließenden Schritt 25 übermittelt die  In the subsequent step 25 transmits the
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. Overheat detection device 4 of the control device 3 of the electric heater 1, that there is an overheating, whereupon the control device 3 opens the switch SW1 of the electric heater 1, thus interrupting the power supply of the heating element 2.
Bezuqszeichenliste LIST OF REFERENCES
1 elektrischer Heizer 1 electric heater
2 Heizelement 2 heating element
3 Steuereinrichtung 3 control device
4 Überhitzungserkennungseinrichtung 4 overheating detection device
5 Messeinrichtung 5 measuring device
6 Differenzierer 6 differentiators
7 Verstärker 7 amplifiers
8 Spitzenwertdetektor 8 peak detector
9 Vergleichseinrichtung 9 comparison device
10 Operationsverstärker  10 operational amplifiers
11 MikroController 11 microcontroller
20, 21 , 22, 23, 24, 25 Verfahrensschritte  20, 21, 22, 23, 24, 25 method steps
C1 , C2 Kondensatoren C1, C2 capacitors
D1 , D2 Dioden D1, D2 diodes
iHeiz durch das Heizelement fließender StromiHeiz current flowing through the heating element
L_RHK Induktivität des Heizelements L_RHK inductance of the heating element
R1 , R2, R3, R4 Widerstände  R1, R2, R3, R4 resistors
R_RHK Widerstand des Heizelements R_RHK resistance of the heating element
R_Shunt, Rshunt Shunt-Widerstand  R_Shunt, Rshunt shunt resistor
SW1 Schalter  SW1 switch
t Zeit t time
U_HV, VCC Versorgungsspannungen  U_HV, VCC supply voltages
Ushunt Ausgangsspannung der Messeinrichtung UDiff Ausgangsspannung des Differenzierers Uverst Ausgangsspannung des Verstärkers  Ushunt Output voltage of the measuring device UDiff Output voltage of the differentiator Uverst Output voltage of the amplifier
U Spitze Ausgangsspannung des Spitzenwertdetektors U peak output voltage of the peak detector

Claims

Ansprüche claims
1 . Elektrischer Heizer zum Erwärmen von Fluidströmen mit einem Heizelement (2) und einer Steuereinrichtung (3) zum Steuern einer von dem Heizelement (2) erzeugten Wärmeleistung, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (2) eine Induktivität (L_RHK) hat, welche sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, und dass eine Überhitzungserkennungseinrichtung (4) vorgesehen ist, welche ausgestaltet ist, eine von einer Änderung der Induktivität (L_RHK) verursachte Änderung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (Ι ) ZU erfassen und mit einem vorab definierten Grenzwert zu vergleichen und bei Überschreiten des Grenzwerts eine Überhitzung des elektrischen Heizers (1 ) festzustellen. 1 . Electric heater for heating fluid flows with a heating element (2) and a control device (3) for controlling a heat output generated by the heating element (2), characterized in that the heating element (2) has an inductance (L_RHK) which varies depending on changes from the temperature, and that an overheat detection device (4) is provided which is configured to detect a change of the inductance (L_RHK) caused by the change of the heating element (2) flowing current (Ι) and with a pre-defined limit to compare and to determine if the limit is exceeded, overheating of the electric heater (1).
2. Elektrischer Heizer nach Anspruch 1 , wobei die Induktivität (L_RHK) des Heizelements (2) bis zu einer Grenztemperatur zunimmt. 2. An electric heater according to claim 1, wherein the inductance (L_RHK) of the heating element (2) increases up to a limit temperature.
3. Elektrischer Heizer nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Heizelement (2) ein Material umfasst, dessen relative Permeabilität bis zu einer Grenztemperatur zunimmt. 3. An electric heater according to claim 1 or 2, wherein the heating element (2) comprises a material whose relative permeability increases up to a limit temperature.
4. Elektrischer Heizer nach Anspruch 3, wobei das Heizelement (2) ein ferromagnetisches Material umfasst. 4. An electric heater according to claim 3, wherein the heating element (2) comprises a ferromagnetic material.
5. Elektrischer Heizer nach Anspruch 4, wobei das Heizelement (2) als Material Eisen, Nickel oder Cobalt oder eine Eisen, Nickel und/oder Cobalt aufweisende Legierung umfasst. 5. Electric heater according to claim 4, wherein the heating element (2) comprises as material iron, nickel or cobalt or an iron, nickel and / or cobalt-containing alloy.
6. Elektrischer Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überhitzungserkennungseinrichtung (4) eine Strommesseinrichtung (5) , einen Differenzierer (6) zur Ermittlung einer Änderung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (IHeiz), einen Spitzenwertdetektor (8) zum Ermitteln einer maximalen Änderung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (IHeiz) und eine Vergleichseinrichtung (9) zum Vergleichen der maximalen Änderung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (IHBIZ) mit dem vorab definierten Grenzwert umfasst. The electric heater according to any one of the preceding claims, wherein the overheat detection means (4) comprises a current measuring means (5), a differentiator (6) for detecting a change in the current (IHeiz) flowing through the heating element (2), a peak detector (8) for Determining a maximum change of the current flowing through the heating element (2) and a comparison device (9) for comparing the maximum change of the current (IHBIZ) flowing through the heating element (2) with the predefined limit value.
7. Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines elektrischen Heizers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: 7. A method for detecting overheating of an electric heater according to one of the preceding claims, characterized by the following steps:
- Ermitteln einer von einer Änderung der Induktivität (L_RHK) des Heizelements (2) des elektrischen Heizers (1 ) verursachten Änderung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (IHeiz),  Determining a change in the inductance (L_RHK) of the heating element (2) of the electric heater (1) caused by the heating element (2) current flowing (IHeiz),
- Vergleichen der ermittelten Änderung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (ΙΗΘΙΖ) mit einem vorab definierten Grenzwert und  - Comparing the determined change of the heating element (2) flowing current (ΙΗΘΙΖ) with a pre-defined limit and
- Feststellen einer Überhitzung des elektrischen Heizers (1) bei einem Überschreiten des vorab definierten Grenzwerts.  - Detecting overheating of the electric heater (1) when the predefined limit value is exceeded.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei 8. The method of claim 7, wherein
bei Feststellen einer Überhitzung des elektrischen Heizers (1 ) der elektrische Heizer (1 ) ausgeschaltet wird.  upon detection of overheating of the electric heater (1), the electric heater (1) is turned off.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei 9. The method of claim 7 or 8, wherein
- der durch das Heizelement (2) fließende Strom (IHBIZ) gemessen wird, the current flowing through the heating element (2) (IHBIZ) is measured,
- zum Ermitteln der Änderung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (ΙΗΘΙΖ) eine Ableitung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (IHeiz) gebildet wird, - To determine the change of the heating element (2) flowing Current (ΙΗΘΙΖ) a derivative of the current flowing through the heating element (2) current (IHeiz) is formed,
- der Spitzenwert der Ableitung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (IHeiz) ermittelt wird und  - The peak value of the derivative of the current flowing through the heating element (2) current (IHeiz) is determined and
- der ermittelte Spitzenwert mit dem vorab definierten Grenzwert verglichen wird.  - the determined peak value is compared with the predefined limit value.
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