WO2018091374A1 - Elektrische heizvorrichtung für kraftfahrzeuge - Google Patents

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WO2018091374A1
WO2018091374A1 PCT/EP2017/078916 EP2017078916W WO2018091374A1 WO 2018091374 A1 WO2018091374 A1 WO 2018091374A1 EP 2017078916 W EP2017078916 W EP 2017078916W WO 2018091374 A1 WO2018091374 A1 WO 2018091374A1
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WO
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bridge
heating element
heating
branch
circuit
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PCT/EP2017/078916
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Inventor
Alexander Krämer
Rainer Heck
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Dbk David + Baader Gmbh
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/105—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor
    • H05B6/108—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor for heating a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/0072—Special adaptations
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B6/02—Induction heating
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2206/00—Aspects relating to heating by electric, magnetic, or electromagnetic fields covered by group H05B6/00
    • H05B2206/02—Induction heating
    • H05B2206/024—Induction heating the resistive heat generated in the induction coil is conducted to the load

Definitions

  • the present invention relates to an electric heating device for motor vehicles according to the preamble of claim 1.
  • Such heaters can be used in motor vehicles for heating (heating) of the room air in the passenger compartment and 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 disc or Headlight cleaning fluid and the urea solution of an SCR catalyst, etc. are used.
  • heating circuits must be additionally heated by appropriate heaters due to missing or only temporarily available heat sources, such as an internal combustion engine.
  • the heating circuits are water circuits or a water circulation system.
  • Conventional heaters for vehicles may have a plurality of tubular heaters, as known for example from German Patent Application DE 10 2010 060 446 A1, which are controlled by means of pulse width modulation, wherein the frequency is less than 1 kHz.
  • the tubular heaters are usually connected to the electrical system of the vehicle, and the control by means of pulse width modulation leads to unwanted ripple currents in the electrical system, ie has an unwanted current ripple in the electrical system result.
  • This unwanted ripple of the electrical system current can in turn adversely affect other connected to the electrical system consumers and interfere with their operation and / or speed up their failure.
  • an on-board filter is usually provided in the electrical system.
  • the onboard power supply filter would have to have a capacity in the range of 100 pF to 5 mF in order to avoid ripple of the on-board power supply.
  • an on-board filter would have disproportionately large dimensions and costs for use in a vehicle.
  • Induction cooking appliances described in which flat induction heating coils transmit electrical energy to the heating material to be heated (pots, pans, etc.).
  • the control of the induction heating coil takes place in these known cooking appliances, inter alia with the aid of a full bridge circuit.
  • the structure of an induction heating coil is not that of an electric resistance heater comparable for vehicles;
  • cooking appliances are not powered by a susceptible to ripples electrical system.
  • the electrical heating device according to the invention for heating fluid flows in a vehicle has a heating element and a control device for controlling a heat output to be generated by the heating element.
  • the heating element has an ohmic resistance and an inductance and can be designed, for example, as a tubular heater.
  • the control device of the electrical heating device comprises a bridge circuit which has two bridge arms connected in parallel with one another and a bridge branch.
  • Each bridge arm has two series-connected switching elements, which are connected to each other via a node.
  • the bridge branch connects the node connecting the switching elements of the one bridge arm (in the following also: first node point) to the node connecting the switching elements of the other bridge arm (hereinafter also referred to as: second node point).
  • the two bridge arms are also referred to as the first bridge arm and the second bridge arm, the second Bridge arm is connected in parallel to the first bridge arm.
  • a resonant circuit is arranged or the bridge circuit forms a resonant circuit, which comprises the heating element. That is, the heating element having an inductance and an ohmic resistance is arranged in the bridge arm.
  • an electrical capacitance in particular in the form of a capacitor, is provided in the bridge branch, which is connected to the heating element.
  • the resonant circuit is designed as a series resonant circuit, so that the ohmic resistance of the heating element, the inductance of the heating element and the electrical capacitance in the bridge branch are connected in series.
  • the switching elements arranged in the bridge arms are preferably designed as semiconductor switching elements, for example as MOSFETs and / or IGBTs, to each of which a free-wheeling diode is connected in antiparallel.
  • the control device of the electrical heating device according to the invention further comprises a drive device, in particular a driver circuit, for driving the switching elements of the bridge circuit.
  • the drive device is designed such that it switches the switching elements de-energized (so-called ZVS - Zero Voltage Switching).
  • the electric heating device has the advantage that only one such electrical heating device with a heating element is required for the heating power typically required in a vehicle, in particular because the heating element forms part of the resonant circuit. Furthermore, by the Providing an electrical capacitance, in particular a capacitor, which is connected in series with the heating element, the heating circuit intrinsically safe even with faulty, uninterrupted driving of the heating element, as interrupted by the capacitor, the current flow through the heating element and heating of the heating element can be prevented, so the functional safety is ensured.
  • the bridge circuit of the electric heater according to the invention comprises two bridge arms in which switching elements are arranged, i. is designed as a full bridge and four-quadrant, a supply current / electrical system with - compared to the current through the heating element - double frequency can be generated, which advantageously reduces the ripple of the supply current / electrical system power, so that only a relatively small and inexpensive on-board filter is needed.
  • the switching elements of the electric heater according to the invention are preferably switched at the zero crossing of the voltage applied to them, switching losses can also be reduced and the electromagnetic compatibility can be improved.
  • the switching elements may be provided with a higher switching frequency, e.g. 100 kHz, which further reduces the ripple of the supply current / vehicle electrical system current and also has a positive effect on the vehicle electrical system filter size.
  • the heating element which has an inductance in addition to an ohmic resistance, with the electrical capacitance in the bridge branch a Forms resonant circuit, a quasi-sinusoidal current consumption can be generated by the heating element, which also generates less harmonics, which further affects the electromagnetic compatibility positively.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of an electric heater according to the invention, which is connected to an electrical system of a vehicle, and
  • Figure 1 shows an inventive electric heater 1, which is connected by way of example to an unspecified electrical system of a vehicle.
  • a vehicle battery 2 As a power source of the electrical system, a vehicle battery 2 is provided, the output (- Eisen-) voltage can be up to 1200 V, for example, with higher voltage values are possible.
  • the electric heater 1 of the invention is preferably designed as a water heater, such as the circulation of an operating fluid, such as cooling water, in a vehicle can be assigned.
  • the electric heating device 1 has a control device 8 with a bridge circuit 3 and a heating element 6.
  • the control device 8 serves to control the heat emitted by the heating element 6.
  • the bridge circuit 3 has a first bridge arm 3.1 and a second bridge arm 3.2, which are connected in parallel.
  • the first bridge arm 3.1 has a first switching element S1 and a second switching element S4, which are connected in series and are connected to each other via a first node 4.1.
  • the second bridge arm 3.2 has a third switching element S3 and a fourth switching element S2, which are connected in series and connected to each other via a second node 4.2.
  • the switching elements S1-S4 are preferably each a semiconductor switch, e.g. as MOSFET, designed with antiparallel-connected freewheeling diode.
  • the bridge circuit 3 further has a bridge branch 5, which connects the first node 4.1 and the second node 4.2.
  • the bridge circuit 3 is thus configured as a full bridge.
  • the unspecified node between the switching element S1 of the first bridge arm 3.1 and the switching element S3 of the second bridge arm 3.2 is connected to the positive pole of the supply voltage U_Batterie.
  • the unspecified node between the switching element S4 of the first bridge arm 3.1 and the switching element S2 of the second bridge arm 3.2 is connected to the negative pole of the supply voltage U_Batterie, ie to the reference potential.
  • the switching element S1 of the first bridge arm 3.1 connects the first node 4.1 with the positive pole of the supply voltage U_Batterie, and the switching element S3 of the second bridge arm 3.2 connects the second node
  • the switching element S4 of the first bridge arm 3.1 connects the first node 4.1 with reference potential, while the switching element S2 of the second bridge arm 3.2 connects the second node 4.2 to the reference potential.
  • the bridge branch 5 forms the load circuit of the bridge circuit 3.
  • the current flowing in the bridge branch 5 is referred to as the bridge branch current IR.
  • the supply current flowing into the bridge circuit 3 or the electric heater 1 is referred to as the supply current IHV.
  • a vehicle electrical filter 7 in order to smooth or reduce any ripple of the supply current IHV.
  • the smoothed by the on-board network filter 7 supply current IHV is referred to as on-board electrical system current IBN.
  • the heating element 6 of the electric heater 1 according to the invention is arranged in the bridge branch 5 of the bridge circuit 3.
  • the bridge branch 5 has a series resonant circuit SK, which is formed by an inductance L, an ohmic resistance R and an electrical capacitance C, which are connected in series.
  • the inductance L and the ohmic resistance R are the inductance and the ohmic resistance of arranged in the bridge branch 5 heating element 6.
  • the inductance L and the ohmic resistance R thus represent in Figure 1, the equivalent circuit diagram of the heating element 6.
  • the heating element 6 is in particular a so-called tubular heating element, in which a heating coil is arranged in a tubular outer body.
  • the heating element 6 may also be designed differently, as long as it has an inductance L and an ohmic resistance R.
  • the provided in the bridge branch 5 electrical capacitance is formed by a capacitor C, which is connected in the bridge branch 5 and its resonant circuit SK in series with the heating element 6.
  • the inventive electric heating device 1 the usual for vehicle applications heating power of 5 kW to 8 kW can be realized, with a commercially available tubular heater can be used as a heating element 6.
  • the control device 8 further has a drive device 9, which switches the switching elements S1, S2, S3 and S4 of the bridge circuit 3 and thus the current flow through the bridge branch 5 and the heating element 6.
  • the control device 9 can have a drive unit 9.1-9.4 assigned to each switching element S1-S4.
  • the bridge circuit 3 with the four switching elements S1 -S4 forms a four-quadrant controller.
  • the control device 9 controls the switching elements S1-S4 preferably so that the bridge circuit 3 is operated in the so-called buck converter mode, in which the switching element S2 is turned on and the switching element S1 is controlled with a PWM signal (PWM - pulse width modulation). With opposite polarity, the switching element S3 is then switched through by means of the drive circuit 9 and the switching element S4 is controlled by a PWM signal. In this way, the current flowing through the bridge branch 5 and thus the heating element 6 changes / pulsates between a positive and a negative current value.
  • the bridge branch current IR flowing through the bridge branch 5 has a quasi-sinusoidal profile, as shown schematically in FIG. 2a).
  • a substantially sinusoidal current flow through the heating element 6 has the advantage of less harmonics than an eg trapezoidal or rectangular current profile and has an advantageous effect on the electromagnetic compatibility.
  • the switching elements S1-S4 are replaced by the
  • the control device 9 preferably controls the switching elements S1 -S4 in such a way that twice the frequency of the bridge branch current IR results for the supply current IHV (see the schematic illustration in FIG. 2b). If to For example, if the bridge branch current IR has a frequency of 100 kHz, this results in a frequency of 200 kHz for the supply current IHV.
  • the supply current IHV is filtered or smoothed by the on-board network filter 7 provided in the vehicle electrical system, which leads to a vehicle electrical system current IBN, which is essentially a direct current with a low residual ripple (see the schematic illustration in FIG. 2c) However, it is low enough not to disturb other consumers connected to the electrical system in their operation and to ensure the electromagnetic compatibility.
  • the heating device 1 can advantageously the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen von Fluidströmen eines Kraftfahrzeuges, mit einem Heizelement (6) und einer Steuereinrichtung (8) zum Steuern einer von dem Heizelement (6) zu erzeugenden Wärmeleistung, wobei das Heizelement (6) einen ohmschen Widerstand (R) und eine Induktivität (L) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (8) eine Brückenschaltung (3) umfasst, die zwei parallele Brückenarme (3.1; 3.2) und einen Brückenzweig (5) aufweist, wobei jeder Brückenarm (3.1; 3.2) zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente (S1, S4; S3, S2) aufweist, die über einen Knotenpunkt (4.1; 4.2) miteinander verbunden sind, und der Brückenzweig (5) den Knotenpunkt (4.1) des einen Brückenarms (3.1) mit dem Knotenpunkt (4.1) des anderen Brückenarms (3.2) verbindet, wobei der Brückenzweig (5) einen Schwingkreis (SK) aufweist, welcher das Heizelement (6) umfasst.

Description

Elektrische Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Heizvorrichtungen können 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 selbstzündenden Brennkraftmaschinen, zur Erwärmung von Kraftstoff, zum Auftauen von Betriebsflüssigkeiten wie Scheiben- oder Scheinwerferreinigungsflüssigkeit und der Harnstofflösung eines SCR-Katalysators etc. eingesetzt werden.
Insbesondere in modernen Fahrzeugen, wie beispielsweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Brennstoffzellenfahrzeugen, welche in ihrem Bordnetz hohe elektrische Spannungen haben, müssen Heizkreisläufe aufgrund fehlender oder nur temporär verfügbarer Wärmequellen, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, zusätzlich durch entsprechende Heizvorrichtungen erwärmt werden. Typischerweise handelt es sich bei den Heizkreisläufen um Wasserkreisläufe bzw. um ein Wasserumlaufsystem. Ferner ergeben sich wegen der hohen Bordnetzspannung erhöhte Anforderungen an die funktionale Sicherheit von in Fahrzeugen eingesetzten elektrischen Heizvorrichtungen. Herkömmliche Heizvorrichtungen für Fahrzeuge können mehrere Rohrheizkörper aufweisen, wie sie beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 060 446 A1 bekannt sind, die mittels Pulsweitenmodulation angesteuert werden, wobei die Frequenz unter 1 kHz liegt. Die Rohrheizkörper sind dabei üblicherweise an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen, und die Ansteuerung mittels Pulsweitenmodulation führt zu unerwünschten Rippelströmen im Bordnetz, d.h. hat eine unerwünschte Stromwelligkeit im Bordnetz zur Folge. Diese unerwünschte Welligkeit des Bordnetzstroms kann sich wiederum nachteilig auf weitere an das Bordnetz angeschlossene Verbraucher auswirken und deren Funktionsweise stören und/oder deren Ausfall beschleunigen.
Um die Stromwelligkeit im Bordnetz zu begrenzen, ist in der Regel ein Bordnetzfilter im Bordnetz vorgesehen. Bei den in Fahrzeugen benötigten Heizleistungen, die typischerweise im Bereich von 5 kW bis 8 kW liegen können, müsste zur Vermeidung einer Welligkeit des Bordnetzstroms der Bordnetzfilter eine Kapazität aufweisen, die im Bereich von 100 pF bis 5 mF liegt. Ein solcher Bordnetzfilter hätte jedoch für den Einsatz in einem Fahrzeug unverhältnismäßig große Dimensionen und Kosten. In der US 2003/0205572 A1 und der DE 10 2005 038 525 A1 sind
Induktionskochgeräte beschrieben, bei denen flache Induktionsheizspulen elektrische Energie auf das zu erwärmende Heizgut (Töpfe, Pfannen etc.) übertragen. Die Ansteuerung der Induktionsheizspule erfolgt bei diesen bekannten Kochgeräten u.a. mit Hilfe einer Vollbrückenschaltung. Der Aufbau einer Induktionsheizspule ist jedoch nicht mit dem eines elektrischen Widerstandsheizers für Fahrzeuge vergleichbar; zudem werden Kochgeräte nicht über ein für Welligkeiten anfälliges Bordnetz versorgt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge bereitzustellen, mit welcher Rippelströme, insbesondere in einem Fahrzeugbordnetz, vermieden oder zumindest reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen von Fluidströmen in einem Fahrzeug weist ein Heizelement und eine Steuereinrichtung zum Steuern einer von dem Heizelement zu erzeugenden Wärmeleistung auf. Das Heizelement weist einen ohmschen Widerstand und eine Induktivität auf und kann beispielsweise als Rohrheizkörper ausgestaltet sein.
Die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung umfasst eine Brückenschaltung, die zwei zueinander parallel geschaltete Brückenarme und einen Brückenzweig hat. Jeder Brückenarm weist zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente auf, die über einen Knotenpunkt miteinander verbunden sind. Der Brückenzweig verbindet den die Schaltelemente des einen Brückenarms verbindenden Knotenpunkt (im Folgenden auch: erster Knotenpunkt) mit dem die Schaltelemente des anderen Brückenarms verbindenden Knotenpunkt (im Folgenden auch: zweiter Knotenpunkt). Die beiden Brückenarme werden auch als erster Brückenarm und als zweiter Brückenarm bezeichnet, wobei der zweite Brückenarm zu dem ersten Brückenarm parallel geschaltet ist.
In dem Brückenzweig ist ein Schwingkreis angeordnet bzw. der Brückenkreis bildet einen Schwingkreis, welcher das Heizelement umfasst. Das heißt, das Heizelement, das eine Induktivität und einen ohmschen Widerstand aufweist, ist im Brückenzweig angeordnet. In dem Brückenzweig ist zusätzlich eine elektrische Kapazität, insbesondere in Form eines Kondensators, vorgesehen, die mit dem Heizelement verbunden ist. Vorzugsweise ist der Schwingkreis als Reihenschwingkreis ausgestaltet, sodass der ohmsche Widerstand des Heizelements, die Induktivität des Heizelements und die elektrische Kapazität in dem Brückenzweig in Reihe geschaltet sind.
Die in den Brückenarmen angeordneten Schaltelemente sind vorzugsweise als Halbleiterschaltelemente, beispielsweise als MOSFETs und/oder IGBTs ausgebildet, an die jeweils eine Freilaufdiode antiparallel angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung umfasst ferner eine Ansteuereinrichtung, insbesondere eine Treiberschaltung, zur Ansteuerung der Schaltelemente der Brückenschaltung. Besonders bevorzugt ist die Ansteuereinrichtung derart ausgestaltet, dass sie die Schaltelemente spannungslos schaltet (sogenanntes ZVS - Zero Voltage Switching).
Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung hat den Vorteil, dass für die in einem Fahrzeug typischerweise erforderliche Heizleistung nur eine derartige elektrische Heizvorrichtung mit einem Heizelement benötigt wird, insbesondere weil das Heizelement einen Teil des Schwingkreises bildet. Ferner wird durch das Vorsehen einer elektrischen Kapazität, insbesondere eines Kondensators, die in Reihe zu dem Heizelement geschaltet ist, der Heizkreis selbst bei fehlerhafter, ununterbrochener Ansteuerung des Heizelements eigensicher, da durch den Kondensator der Stromfluss durch das Heizelement unterbrochen und ein Aufheizen des Heizelements verhindert werden kann, sodass die funktionale Sicherheit gewährleistet ist.
Da die Brückenschaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung zwei Brückenarme aufweist, in denen Schaltelemente angeordnet sind, d.h. als Vollbrücke und Vierquadrantensteller ausgebildet ist, kann ein Versorgungsstrom/Bordnetzstrom mit - gegenüber dem Strom durch das Heizelement - doppelter Frequenz generiert werden, was vorteilhafterweise die Welligkeit des Versorgungsstroms/Bordnetzstroms reduziert, sodass nur ein relativ kleiner und kostengünstiger Bordnetzfilter benötigt wird.
Dadurch, dass die Schaltelemente der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung bevorzugt im Nulldurchgang der an ihnen anliegenden Spannung geschaltet werden, können außerdem Schaltverluste reduziert und die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert werden. Außerdem können die Schaltelemente mit einer höheren Schaltfrequenz, z.B. 100 kHz, geschaltet werden, was die Welligkeit des Versorgungsstroms/Bordnetzstroms weiter reduziert und sich ebenfalls positiv auf die Bordnetzfiltergröße auswirkt.
Weil das Heizelement, welches neben einem ohmschen Widerstand eine Induktivität aufweist, mit der elektrischen Kapazität im Brückenzweig einen Schwingkreis bildet, kann eine quasi-sinusförmige Stromaufnahme durch das Heizelement erzeugt werden, wodurch ebenfalls weniger Oberschwingungen generiert werden, was die elektromagnetische Verträglichkeit weiter positiv beeinflusst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen und den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung, welche an ein Bordnetz eines Fahrzeugs angeschlossen ist, und
Fig. 2 schematische Darstellungen von zeitlichen Verläufen a) eines durch ein Heizelement der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung fließenden Stroms IR, b) eines in eine Brückenschaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung fließenden Stroms IHV (ohne Glättung durch einen Bordnetzfilter) und c) eines Bordnetzstroms IBN (nach Glättung durch einen beispielhaften Bordnetzfilter).
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung 1 , welche beispielhaft an ein nicht näher bezeichnetes Bordnetz eines Fahrzeugs angeschlossen ist. Als Energiequelle des Bordnetzes ist eine Fahrzeugbatterie 2 vorgesehen, deren Ausgangs(-gleich-)spannung z.B. bis zu 1200 V betragen kann, wobei auch höhere Spannungswerte möglich sind . Die elektrische Heizvorrichtung 1 der Erfindung ist vorzugsweise als Wasserheizer ausgestaltet, wie er z.B. dem Umlauf eines Betriebsfluids, beispielsweise von Kühlwasser, in einem Fahrzeug zugeordnet sein kann.
Die elektrische Heizvorrichtung 1 weist eine Steuereinrichtung 8 mit einer Brückenschaltung 3 und ein Heizelement 6 auf. Die Steuereinrichtung 8 dient zum Steuern der von dem Heizelement 6 abgegebenen Wärme. Die Brückenschaltung 3 hat einen ersten Brückenarm 3.1 und einen zweiten Brückenarm 3.2, die parallel zueinander angeschlossen sind. Der erste Brückenarm 3.1 weist ein erstes Schaltelement S1 und ein zweites Schaltelement S4 auf, die in Reihe geschaltet sind und dabei über einen ersten Knotenpunkt 4.1 miteinander verbunden sind. Der zweite Brückenarm 3.2 weist ein drittes Schaltelement S3 und ein viertes Schaltelement S2 auf, die in Reihe geschaltet und über einen zweiten Knotenpunkt 4.2 miteinander verbunden sind. Die Schaltelemente S1-S4 sind vorzugsweise jeweils als Halbleiterschalter, z.B. als MOSFET, mit antiparallel geschalteter Freilaufdiode ausgestaltet.
Die Brückenschaltung 3 weist ferner einen Brückenzweig 5 auf, der den ersten Knotenpunkt 4.1 und den zweiten Knotenpunkt 4.2 verbindet. Die Brückenschaltung 3 ist also als Vollbrücke ausgestaltet. Der nicht näher bezeichnete Knotenpunkt zwischen dem Schaltelement S1 des ersten Brückenarms 3.1 und dem Schaltelement S3 des zweiten Brückenarms 3.2 ist mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung U_Batterie verbunden. Der nicht näher bezeichnete Knotenpunkt zwischen dem Schaltelement S4 des ersten Brückenarms 3.1 und dem Schaltelement S2 des zweiten Brückenarms 3.2 ist mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung U_Batterie, d.h. mit dem Bezugspotential, verbunden. Das Schaltelement S1 des ersten Brückenarms 3.1 verbindet den ersten Knotenpunkt 4.1 mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung U_Batterie, und das Schaltelement S3 des zweiten Brückenarms 3.2 verbindet den zweiten Knotenpunkt
4.2 mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung U_Batterie. Das Schaltelement S4 des ersten Brückenarms 3.1 verbindet den ersten Knotenpunkt 4.1 mit Bezugspotential, während das Schaltelement S2 des zweiten Brückenarms 3.2 den zweiten Knotenpunkt 4.2 mit dem Bezugspotential verbindet.
Der Brückenzweig 5 bildet den Lastkreis der Brückenschaltung 3. Der im Brückenzweig 5 fließende Strom wird als Brückenzweigstrom IR bezeichnet. Der in die Brückenschaltung 3 bzw. die elektrische Heizvorrichtung 1 fließende Versorgungsstrom wird als Versorgungsstrom IHV bezeichnet. In dem Bordnetz kann zwischen die Batterie 2 und die elektrischen Heizvorrichtung 1 ein Bordnetzfilter 7 zwischengeschaltet sein, um eine eventuelle Welligkeit des Versorgungsstroms IHV zu glätten bzw. zu reduzieren. Der mittels des Bordnetzfilters 7 geglättete Versorgungsstrom IHV wird als Bordnetzstrom IBN bezeichnet.
Das Heizelement 6 der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung 1 ist in dem Brückenzweig 5 der Brückenschaltung 3 angeordnet. Der Brückenzweig 5 weist einen Reihenschwingkreis SK auf, der durch eine Induktivität L, einen ohmschen Widerstand R und eine elektrische Kapazität C gebildet wird, die in Reihe geschaltet sind. Dabei sind die Induktivität L und der ohmsche Widerstand R die Induktivität und der ohmsche Widerstand des in dem Brückenzweig 5 angeordneten Heizelements 6. Die Induktivität L und der ohmsche Widerstand R stellen in Figur 1 also das Ersatzschaltbild des Heizelements 6 dar. Bei dem Heizelement 6 handelt es sich insbesondere um einen sogenannten Rohrheizkörper, bei welchem eine Heizwendel in einem rohrförmigen Außenkörper angeordnet ist. Das Heizelement 6 kann jedoch auch anders ausgebildet sein, solange es eine Induktivität L und einen ohmschen Widerstand R hat.
Die in dem Brückenzweig 5 vorgesehene elektrische Kapazität wird durch einen Kondensator C gebildet, der in dem Brückenzweig 5 bzw. dessen Schwingkreis SK in Reihe zu dem Heizelement 6 geschaltet ist. Beispielhaft betragen die Induktivität L des Heizelements 5 μΗ, der ohmsche Widerstand des Heizelements 8 Ω und die elektrische Kapazität 200 nF. Mit der erfind ungsmäßen elektrischen Heizvorrichtung 1 lässt sich die für Fahrzeuganwendungen übliche Heizleistung von 5 kW bis 8 kW verwirklichen, wobei ein handelsüblicher Rohrheizkörper als Heizelement 6 verwendet werden kann.
Die Steuereinrichtung 8 weist ferner eine Ansteuereinrichtung 9 auf, die die Schaltelemente S1 , S2, S3 und S4 der Brückenschaltung 3 und damit den Stromfluss durch den Brückenzweig 5 und das Heizelement 6 schaltet. Die Ansteuereinrichtung 9 kann dabei für jedes Schaltelement S1-S4 eine diesem zugeordnete Ansteuereinheit 9.1-9.4 aufweisen.
Die Brückenschaltung 3 mit den vier Schaltelementen S1 -S4 bildet einen Vierquadrantensteller. Die Ansteuereinrichtung 9 steuert die Schaltelemente S1-S4 vorzugsweise so, dass die Brückenschaltung 3 im sogenannten Tiefsetzsteller- Betrieb betrieben wird, bei welchem das Schaltelement S2 durchgeschaltet wird und das Schaltelement S1 mit einem PWM-Signal (PWM - Pulsweitenmodulation) gesteuert wird. Bei entgegengesetzter Polarität wird dann mittels der Ansteuerschaltung 9 das Schaltelement S3 durchgeschaltet und das Schaltelement S4 wird mit einem PWM-Signal gesteuert. Auf diese Weise wechselt/pulsiert der durch den Brückenzweig 5 und somit das Heizelement 6 fließende Strom zwischen einem positiven und einem negativen Stromwert. Wegen des im Brückenzweig 5 vorgesehenen Schwingkreises SK mit dessen Induktivität L (vom Heizelement 6) und dessen elektrischer Kapazität C hat der durch den Brückenzweig 5 fließende Brückenzweigstrom IR einen quasi-sinusförmigen Verlauf, wie er schematisch in Figur 2a) dargestellt ist. Ein im Wesentlichen sinusförmiger Stromfluss durch das Heizelement 6 hat gegenüber einem z.B. trapezförmigen oder rechteckförmigen Stromverlauf den Vorteil von weniger Oberschwingungen und wirkt sich vorteilhaft auf die elektromagnetische Verträglichkeit aus. Vorzugsweise werden die Schaltelemente S1-S4 durch die
Ansteuerschaltung 9 spannungslos geschaltet, d.h. genau dann geschaltet, wenn sich die über ihnen jeweils abfallende Spannung im Nulldurchgang befindet (sogenanntes Zero Volt Switching). Durch dieses Schalten im Nulldurchgang lassen sich vorteilhafterweise Schaltverluste vermeiden bzw. minimieren und die elektromagnetische Verträglichkeit der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung 1 weiter verbessern.
Die Ansteuereinrichtung 9 steuert die Schaltelemente S1 -S4 vorzugsweise so, dass sich für den Versorgungsstrom IHV (siehe die schematische Darstellung in Figur 2b) die doppelte Frequenz des Brückenzweigstroms IR ergibt. Wenn zum Beispiel der Brückenzweigstrom IR eine Frequenz von 100 kHz hat, ergibt sich auf diese Weise eine Frequenz von 200 kHz für den Versorgungsstrom IHV. Der Versorgungsstrom IHV wird von dem im Bordnetz vorgesehenen Bordnetzfilter 7 gefiltert bzw. geglättet, was zu einem Bordnetzstrom IBN führt, bei dem es sich im Wesentli- chen um einen Gleichstrom mit einer geringen Restwelligkeit handelt (siehe die schematische Darstellung in Figur 2c), die jedoch gering genug ist, um andere an das Bordnetz angeschlossene Verbraucher nicht in ihrem Betrieb zu stören und die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen. Durch die erfindungsgemäße Heizvorrichtung 1 kann vorteilhafterweise die
Frequenz des Versorgungsstroms IHV verdoppelt und somit der Filteraufwand für eine Reduktion der Welligkeit des Versorgungsstroms IHV verringert werden. Es kann also ein kleinerer und somit bauraumtechnisch und kostenmäßig günstigerer Bordnetzfilter 7 eingesetzt werden.
Bezuqszeichenliste
1 elektrische Heizvorrichtung
2 Energiequelle, Batterie
3 Brückenschaltung
3.1 erster Brückenarm
3.2 zweiter Brückenarm
4.1 erster Knotenpunkt
4.2 zweiter Knotenpunkt
5 Brückenzweig, Lastkreis
6 Heizelement
7 Bordnetzfilter
8 Steuereinrichtung
9 Ansteuereinrichtung
9.1 , 9.2, 9.3, 9.4 Ansteuereinheiten
S1 , S2, S3, S4 Schaltelemente
IBN Bordnetzstrom
IR Brückenzweigstrom
IHV Versorgungsstrom
C elektrische Kapazität, Kondensator
L Induktivität
R ohmscher Widerstand
SK Schwingkreis
t Zeit
U Batterie Versorgungsspannung

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen von Fluidströmen eines Kraftfahrzeuges, mit einem Heizelement (6) und einer Steuereinrichtung (8) zum Steuern einer von dem Heizelement (6) zu erzeugenden Wärmeleistung, wobei das Heizelement (6) einen ohmschen Widerstand (R) und eine Induktivität (L) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (8) eine Brückenschaltung (3) umfasst, die zwei parallele Brückenarme (3.1 ; 3.2) und einen Brückenzweig (5) aufweist, wobei jeder Brückenarm (3.1 ; 3.2) zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente (S1 , S4; S3, S2) aufweist, die über einen Knotenpunkt (4.1 ; 4.2) miteinander verbunden sind, und der Brückenzweig (5) den Knotenpunkt (4.1) des einen Brückenarms (3.1) mit dem Knotenpunkt (4.1) des anderen Brückenarms (3.2) verbindet, wobei der Brückenzweig (5) einen Schwingkreis (SK) aufweist, welcher das Heizelement (6) umfasst.
2. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Schwingkreis (SK) des Brückenzweiges (5) eine elektrische Kapazität (C) aufweist, die zusätzlich zu dem Heizelement (6) vorgesehen ist.
3. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der ohmsche Widerstand (R) des Heizelements (6), die Induktivität (L) des Heizelements (6) und die elektrische Kapazität (C) in dem Brückenzweig (5) in Reihe geschaltet sind.
4. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (8) eine Ansteuereinrichtung (9) zum Ansteuern der Schaltelemente (S1-S4) der Brückenschaltung (3) aufweist.
5. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Ansteuereinrichtung (9) derart ausgestaltet ist, dass die Ansteuereinrichtung (9) die Schaltelemente (S1-S4) spannungslos schaltet.
6. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (6) ein Rohrheizkörper ist.
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