WO2024099665A1 - Elektrischer durchlauferhitzer für ein fahrzeug, insbesondere elektrofahrzeug, betriebsverfahren für den durchlauferhitzer und fahrzeug - Google Patents

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Definitions

  • Electric instantaneous water heater for a vehicle in particular an electric vehicle, operating method for the instantaneous water heater and vehicle
  • the invention relates to a method for operating an electric instantaneous water heater in a vehicle, in particular in an electric vehicle.
  • the method is based on the fact that the instantaneous water heater comprises a plurality of electric heating circuits.
  • a heating circuit can be provided by an electrical circuit that comprises at least one heating wire and/or at least one heating coil.
  • temperature gradients and/or temperature changes occur on the respective heating wire or the respective heating coil, which cause material stresses that can lead to undesirably early material fatigue, which is to be prevented.
  • the invention also comprises an instantaneous water heater that can be operated according to the method, as well as a vehicle with such an instantaneous water heater.
  • the vehicle is intended in particular as an electric vehicle.
  • the heating/warming of the interior does not work via the heat loss of the combustion engine as in a combustion engine, but also or exclusively via an electrically operated instantaneous water heater.
  • a heat pump which taps the heat from the high-voltage battery or the electric motor, can be used to heat the vehicle to the required temperature. If this is not sufficient (e.g. on cold days or at the start of the journey), the coolant is additionally heated via an electric heater, namely an electric instantaneous water heater (eDH).
  • eDH electric instantaneous water heater
  • the eDH is also used to condition the high-voltage system (HVS) of the electric vehicle so that the charging time is shortened in many operating situations.
  • the electric heater in the electric instantaneous water heater, eDH has a very high output (e.g. up to 9kW).
  • the model of instantaneous water heater used here works as follows:
  • the coolant (medium to be heated) flows through the electric heater or heating section and is heated on one or more heating plates by several electric heating circuits.
  • Each heating circuit is connected to the high-voltage power supply (HVS) via at least one of its own power drivers (e.g. special transistors).
  • the power drivers are controlled e.g. via pulse width modulation, PWM, through control electronics (control circuit), whereby the heating power of the heating circuits can be controlled individually or individually. As a rule, all heating circuits are supplied with power evenly.
  • an electric instantaneous water heater with a cold water inlet, a control device, a heating section and a hot water outlet is known, the heating section of which has at least two individually controllable and/or switchable heating elements, of which at least one can be controlled depending on the heat requirement.
  • the object of the invention is to operate an electric instantaneous water heater for a vehicle in a way that protects materials.
  • the invention comprises a method for operating an electric instantaneous water heater in a vehicle.
  • the method is based on the fact that the instantaneous water heater has several electric heating circuits for electrically generating a respective heating power in a heating section through which a medium to be heated flows.
  • the heating section can be formed, for example, by a pipe or a channel through which the medium can flow or can be flowed.
  • a fluid in particular a liquid, such as water or oil, can be provided as the medium.
  • the heating circuits can jointly heat the same heating section or different branches or sections of the heating section. In order to heat them, they are supplied with electrical power.
  • a control circuit controls a respective controllable electrical switching element (one or more semiconductor switches, MOSFETs, power drivers) of the respective heating circuit in order to carry out a power control of the respective heating output of the respective heating circuit, whereby the sum of the heating outputs of the heating circuits is set to a total heating output, as can be specified for the instantaneous water heater.
  • the total heating output can be specified by a temperature control circuit, the distribution between the heating circuits can then be controlled by the configuration data.
  • the power control in the individual heating circuits can be carried out, for example, on the basis of the aforementioned pulse width modulation, PWM, by means of which the respective switching element can be switched between different electrical switching states (for example electrically conductive and electrically blocking).
  • One or more semiconductor switches for example at least one transistor, such as MOSFET (MOS-Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), and/or a respective bipolar transistor, can be provided in the respective switching element.
  • Such electrical switching elements are generally referred to as power drivers. Since each heating circuit has its own switching element, the control circuit can control or adjust each heating circuit individually in relation to the heating power implemented or provided in it. Overall, this results in a total heating power, which in the case of an air conditioning system, for example, can be specified by a user who can specify or adjust a heating level for heating an interior.
  • one or more heating plates can be arranged in the heating circuits, at least in some areas, each of which can be made of ceramic, for example.
  • Electrically conductive cables of the respective heating circuit can, for example, be connected to the respective heating plate or embedded in it.
  • the invention provides that the control circuit divides or divides the total heating output into the heating outputs of the heating circuits depending on configuration data (stored in a data memory of the control circuit), whereby the configuration data or the division specified by the configuration data are independent of the current temperature of the medium to be heated.
  • configuration data stored in a data memory of the control circuit
  • the actual temperature control is therefore also given a performance profile or a performance division by the configuration data.
  • the term “configuration data” is to be understood comprehensively in that it is a data-based control of the control circuit, which can be implemented in several different ways. The following are possible examples:
  • the configuration data can be a program-based control of the Control circuit.
  • the configuration data can additionally or alternatively provide at least one characteristic map that can provide a different distribution of the total heating output to the individual heating circuits for different operating values and/or operating situations.
  • the configuration data can specify parameter values in a control software, for example at least one threshold value and/or limit value and/or an upper limit.
  • the configuration data can be implemented, for example, by a parametric function that specifies a functional dependency between at least one operating variable and the heating output to be set for at least one heating circuit.
  • the total heating output can, for example, be in a range between 1 kW and 15 kW. Material fatigue has proven to be a particular technical problem for instantaneous water heaters of this size. So that the total heating output to be provided or generated can be divided or classified between the different heating circuits by specifying configuration data, each heating circuit can thus be operated with a different heating output. This makes it possible to take into account that one or some of the heating circuits must be operated more gently than at least one other of the heating circuits, for example because it is located in a hotspot in which heat build-up or heat accumulation can result in disproportionately large local heating (compared to the other heating circuits).
  • the control circuit By configuring the control circuit in such a way that it divides the total heating output between the individual heating circuits depending on configuration data that does not depend on the actual temperature control, but rather generally determines the ratio of the division, namely for different specifications of the total heating output, the operating strategy for the gentle operation of the instantaneous water heater can be superimposed or supplemented by the characteristic data on the actual temperature control or temperature regulation.
  • the power control by controlling the switching elements can be implemented using a method from the prior art, for example by regulating a current intensity and/or a switch-on time.
  • an expected limitation of the possible operating time/operating cycles for a given electric instantaneous water heater, eDH can be determined. This means that it is possible to determine whether and/or where it is to be expected that the instantaneous water heater could suffer a defect before its expected or specified operating time in user operation.
  • the Replacement would be expensive, in addition to the pure cost of the parts, the vehicle would have to be shut down/secured from a high-voltage perspective, other parts in the way would have to be dismantled, media lines would have to be emptied and dismantled and, last but not least, it would also mean great dissatisfaction for the user.
  • the invention also includes further developments that can realize additional advantages.
  • a further development includes the configuration data being permanently specified or stored in the control circuit.
  • the configuration data can be stored or memorized in the control unit when the vehicle is manufactured.
  • the control circuit can be configured for the vehicle by memorizing or saving the configuration data in the control circuit, for example to take into account which of the heating circuits of the water heater must be operated with reduced or minimal electrical power in relation to the other heating circuits because, for example, a hotspot or heat build-up was identified for this heating circuit based on the simulation data described if it is in the installation position in the vehicle. In this way, gentle operation can be implemented for different vehicle models using one and the same model of water heater without structurally adapting the water heater to the respective vehicle model.
  • the configuration data can be changed during operation of the control circuit (update).
  • the configuration data can be changed during operation of the control circuit (update).
  • the control circuit can switch or select between different configuration data, ie depending on a detected current operating situation, the heating circuits can be controlled according to the selected configuration data.
  • several different operating situations can already be taken into account in the configuration data.
  • several different vehicle models can be taken into account in the configuration data and the instantaneous water heater can be upgraded for the respective vehicle model by selecting or switching in the configuration data, because the control circuit can then adapt its operation to the vehicle model of the vehicle by selecting the parts of the configuration data that match the vehicle or its vehicle model.
  • the control circuit can be signaled by a signal from an on-board communications network, e.g. a communications bus, which vehicle model the vehicle belongs to, into which the instantaneous water heater is installed. The control circuit can then automatically adapt to the vehicle model in relation to the operation of the heating circuits and in particular the distribution of the heating output.
  • a further development involves the configuration data specifying a condition for controlling the switching elements, which specifies an upper limit for the heating output of one or some or each of the heating circuits. In other words, this prevents more heating output than the upper limit allows from being set or supplied to a particular heating circuit. This can prevent a hotspot or overheating for the respective heating circuit.
  • dividing up the circuit by specifying the upper limits uneven wear on the heating circuits can be avoided.
  • a targeted adjustment of the wear on individual heating circuits to the respective wear state of another of the heating circuits can also be achieved or coordinated.
  • a further development includes the configuration data specifying a condition which provides for a (power-wise) coordinated switching of the switching elements of at least two of the heating circuits whose heating lines are arranged directly adjacent in the continuous-flow heater, wherein the coordinated switching Dependence of the heating output and/or a switching state of one of the coordinated heating circuits on the heating output or the switching state of another of the coordinated heating circuits.
  • the heating cables mentioned can be the described heating wires and/or heating coils, of which each heating circuit can have one or more. By taking into account adjacent heating cables, i.e. heating cables between which no further heating cable of another heating circuit is laid or arranged, thermal hotspots can be avoided.
  • the coordinated switching of such heating circuits can provide that as a condition a sum of the heating outputs provided simultaneously by these heating circuits should be less than a predetermined maximum value.
  • a maximum value can be determined, for example, by means of a simulation. It can also be set depending on a flow velocity or throughput rate (liters per minute) of the medium. For example, in an area where the heating cables are the closest to each other, a possible hotspot can be avoided or its temperature can be kept below a maximum value if the medium would otherwise transport the heat energy away too slowly.
  • a further development involves the configuration data specifying a condition that specifies synchronized switching, in particular time-delayed and/or phase-delayed switching of at least two of the switching elements.
  • Synchronized switching means that the switching takes place at a coordinated time, for example staggered in time. This can prevent, for example, in the case of inductive electrical components in the heating circuits, switching peaks caused at the same time, such as those caused by induction when a current flow is interrupted, from adding up or overlapping. Instead, they are caused with a time delay.
  • periodic or cyclic switching e.g.
  • a time offset of the switching processes of several heating circuits can, for example, result in destructive indifference or cancellations in the case of emitted electromagnetic radiation and/or in the case of a ripple voltage in the electrical supply network, so that, for example, other vehicle components, such as electronic control units, remain undisturbed.
  • a further development of this involves specifying the phase-shifted switching for those heating circuits whose electrical heating cables and/or their electrical Supply lines are arranged directly adjacent to one another (no other line in between).
  • Such an adjacent arrangement of heating lines and/or supply lines arises, for example, with a twisted pair arrangement of supply lines and/or with electrical or electromagnetic shielding of a supply line.
  • heating lines can even be deliberately laid parallel to one another, for example during the manufacture of the heating plates, in particular in the form of heating coils, in order to then be able to operate them in an improved or advantageous manner with regard to electromagnetic compatibility (EMC) by switching them out of phase, in particular with a phase offset of 180 degrees.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the antenna effect of one heating line can then be compensated for by the phase offset by means of destructive indifference to the antenna effect of the other heating coil.
  • at least two of the heating circuits can provide a phase-shifted pulse operation, e.g. with a pulse rate in a range of 5 Hz to 50 kHz, which can occur or be used in particular in pulse-width modulation, which then takes place in a phase-shifted manner, in particular by 180 degrees.
  • pulse width modulation a further advantageous embodiment results in the configuration data specifying synchronized switching either for all or only for some of the switching frequencies provided or possible by the PWM. Since pulse width modulation varies the pulse frequencies in a specified frequency range during operation or provides variable switching frequencies for the pulses, it can happen that only occasionally certain, disruptive switching frequencies generate electromagnetic interference in the vehicle caused by the heating circuits, which, for example, interferes with a radio station. If such switching frequencies are known, cancellation or attenuation of the electromagnetic interference radiation through the described synchronized switching can be specified for them by specifying corresponding configuration data.
  • a further development includes the configuration data providing different distributions of the total heating output for different installation positions and/or spatial installation positions of the instantaneous water heater in the vehicle and/or for different vehicle models, and the control circuit selecting those of the configuration data which are provided for an actual installation position and/or installation position of the instantaneous water heater.
  • the installation position and/or installation position can be signaled by specified position data.
  • the control of the switching elements and thus the setting of the heating output in the switching elements is then carried out according to the selected configuration data.
  • the installation position i.e. the spatial proximity to other vehicle components of the vehicle and/or the installation position, for example installed upside down or horizontally, can have an influence on the temperature distribution and/or the heat dissipation in the instantaneous water heater. Furthermore, the proximity to other vehicle components can also cause overheating or material fatigue due to heat radiation.
  • the installation position and/or the installation position can then be taken into account when distributing the total heating output to the heating circuits. If it is then known in which installation position and/or installation orientation the instantaneous water heater is installed in the vehicle, which can be done, for example, by signaling the vehicle model via the described on-board communication network, the operation of the instantaneous water heater can then be adjusted or configured accordingly.
  • a vehicle control unit can signal which vehicle model is present. Where fatigue phenomena may arise due to installation positions and/or spatial installation location, this can be enabled or realized in the manner described by simulation and/or statistics from damage reports.
  • a further development includes the fact that the control circuit sets the divisions and/or control of the switching elements differently according to the configuration data for different operating states of the instantaneous water heater, which differ in terms of flow conditions of the medium (flow velocity, flow rate), and/or for different operating modes, which differ in terms of a fluidic coupling of the heating section with different vehicle components of the vehicle.
  • the configuration data for different operating states of the instantaneous water heater, which differ in terms of flow conditions of the medium (flow velocity, flow rate), and/or for different operating modes, which differ in terms of a fluidic coupling of the heating section with different vehicle components of the vehicle.
  • the hydraulic conditions that can result from the coupling of different vehicle components for example an air conditioning compressor on the one hand and an air conditioning system for a vehicle's traction battery on the other, can be viewed as different operating modes and corresponding configuration data can be provided.
  • the operating state or operating mode can be measured using a sensor circuit on the instantaneous water heater itself (e.g. the flow velocity and/or the pressure in the medium) and/or it can be signaled from another control unit in the vehicle that, for example, controls valves for the hydraulic coupling.
  • a further development includes the control circuit dividing up the total heating output and/or controlling the switching elements depending on the respective operating history according to the configuration data.
  • the operating history indicates in particular an age and/or operating hours and/or a total energy converted by the respective heating circuit. For example, if it is known from the operating history that the instantaneous water heater has carried out more cold starts than a predetermined threshold value, a heating circuit that is particularly worn or fatigued by such a cold start can be reduced or adjusted using the configuration data in relation to the heating output it converts. In addition or alternatively, an absolute age and/or a number of operating hours and/or a total energy converted for a heating circuit can also be determined or logged.
  • a redistribution or a shift in power can then be triggered if the operating history signals that a wear limit has been reached for at least one of the heating circuits or a wear state has reached a predetermined limit. This enables uniform material fatigue and/or uniform wear of the heating circuits.
  • the configuration data can be used to specify different, e.g. proportional shares of the respective heating output in the total heating output and/or upper power limits for two or more or all of the heating circuits for different possible operating situations in which the instantaneous water heater in the vehicle can be operated permanently and/or temporarily.
  • the control circuit can accordingly determine situation data which signal the actual operating situation using its own sensor circuit and/or by receiving data from another control unit.
  • the switching elements of the heating circuit can be controlled in accordance with the configuration data which are specified for the operating situation signaled by the situation data.
  • An operating situation arises, for example, simply because the instantaneous water heater is and/or remains permanently installed in a vehicle of a certain vehicle model.
  • a change in the control of the switching elements and/or the distribution of the heating output can be made by determining a change in the current operating situation, which can change during operation of the vehicle because, for example, different vehicle components can be fluidically coupled to the instantaneous water heater at different times and/or the flow rate of the medium changes.
  • the situation data is obtained, based on which configuration data can then be selected or based on the configuration data the distribution of the heating output and/or the control of the switching elements can be carried out differently for different operating situations.
  • a further development includes the configuration data receiving a coding flag, the state of which is used to control whether the division is activated either always or only depending on a logic of vehicle parameters, in particular country version, target market, material variant of the heating plates and/or whether it is a dedicated cold country vehicle.
  • a coding flag the state of which is used to control whether the division is activated either always or only depending on a logic of vehicle parameters, in particular country version, target market, material variant of the heating plates and/or whether it is a dedicated cold country vehicle.
  • the process can now also be coded depending on a logic of vehicle parameters such as country version, target market, material variant of the heating plates (e.g. if these come from several suppliers, or are (must be) sourced locally in a certain market), or whether it is a dedicated cold country vehicle. This is information that is in the vehicle order and can be used for coding.
  • the control circuit can be signaled by at least one other vehicle component as to which operating situation currently exists and/or which operating mode is to be set in the instantaneous water heater and/or which of the configuration data is valid.
  • the control circuit can independently determine in the vehicle which configuration data is to be used.
  • the transmitter circuit can include a gyro sensor, by means of which an installation position of the instantaneous water heater can be automatically determined by the instantaneous water heater and its control circuit.
  • a further development includes the control circuit receiving new configuration data after the configuration data has been used and in a maintenance mode, and the configuration data being completely or partially replaced and/or supplemented by the new configuration data received.
  • the maintenance mode which can be set in the instantaneous water heater for example during an over-the-air update and/or in a workshop, the configuration data can be renewed or supplemented.
  • the instantaneous water heater can be provided with further information about the susceptibility of the heating circuits to wear and tear even during operation or during its service life in the vehicle, and appropriate countermeasures can be implemented.
  • the invention comprises an electric instantaneous water heater having a plurality of electric heating circuits, each of which is connected to a connection device for supplying electrical energy to the respective heating circuit via a respective controllable electric switching element.
  • the control circuit of the instantaneous water heater can be based, for example, on at least one microcontroller and/or at least one microprocessor and/or an ASIC (application-specific integrated circuit).
  • the method steps described here can be implemented as software or program code in the control circuit. and stored in a data memory of the control circuit.
  • connection device can, for example, comprise a plug or a socket with electrical contact elements, so that the instantaneous water heater can be electrically connected to an electrical system of the vehicle, for example a high-voltage electrical system (high voltage - electrical voltages greater than 60 V, in particular greater than 100 V) via the connection device.
  • a high-voltage electrical system high voltage - electrical voltages greater than 60 V, in particular greater than 100 V
  • the instantaneous water heater comprises a control circuit for controlling the power of the electrical power (heating power) converted by the switching elements in the respective heating circuit, and the control circuit is configured to carry out an embodiment of the method described here.
  • the invention comprises a vehicle with an embodiment of the electric instantaneous water heater described here.
  • the vehicle is in particular an electric vehicle, for example the BEV or PHEV described at the beginning.
  • the vehicle it is then possible to take into account an operating state and/or an operating history and to use configuration data to control the extent to which or how the heating output should be distributed in order to achieve the total heating output in the heating circuits.
  • a local or internal temperature distribution in the instantaneous water heater is thus possible using the configuration data according to specifications relating to material fatigue or wear or electromagnetic compatibility.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the motor vehicle according to the invention with an electric instantaneous water heater; and Fig. 2 is a schematic representation of the instantaneous water heater with different designs of heating circuits.
  • Fig. 1 shows a vehicle 10 that can be a motor vehicle, in particular a passenger car.
  • the vehicle 10 can be designed as an electric vehicle.
  • An electrical energy source 11 can be provided in the vehicle 10, which can be, for example, a vehicle battery (traction battery or high-voltage battery).
  • a vehicle battery traction battery or high-voltage battery.
  • a continuous flow heater 14 can be provided in the vehicle 10, which can be fluidically coupled to the vehicle components 12, 13 via a heating circuit 15 in order to heat a medium 16, for example a water-based or oil-based liquid.
  • a state of the fluidic coupling can vary, for example via valves 17.
  • an air conditioning system for a passenger compartment of the vehicle 10 and/or an air conditioning system for the vehicle battery can be provided as vehicle components 12, 13.
  • connection device 18 for example an electrical socket or an electrical plug
  • electrical on-board network 19 which can be supplied with electrical power by the energy source 11.
  • the instantaneous water heater 14 can have a control circuit 20, which can be coupled via a communication network 21 to at least one further electronic component 22, for example a respective electronic control unit (ECU) for an exchange of situation data 23.
  • the communication network 21 can be based, for example, on the already mentioned CAN bus and/or an Ethernet network and/or a Lin bus.
  • the situation data 23 can, for example, signal a switching state of the valves 17.
  • a sensor circuit 24 can be provided in the instantaneous water heater 14 itself, by means of which the control circuit 20 can record sensor data 25 as situation data, for example a spatial installation position 26, which is symbolically represented in Fig. 1 by a coordinate system.
  • the instantaneous water heater 14 can be operated gently with respect to material wear and/or material fatigue.
  • Fig. 2 illustrates heating plates 30, which can be made of ceramic, for example, and past which the medium 16 can be guided or flowed, thereby creating a heating section for the medium.
  • Electrical heating circuits 31 can be provided for heating the heating plates 30, i.e. electrical circuits that can be supplied with electrical power from the electrical on-board network 19.
  • a required or requested total heating power 32 can be received via the on-board communication network 21, for example from one of the electronic components 22, for example an air conditioning control unit or generally an on-board electronics system.
  • the respective heating power of the heating circuits 31 can be set individually by the control circuit 20 in relation to the current in the heating circuit or the electrical power via a respective switching element 33, which can be based, for example, on at least one semiconductor power switch, for example at least one transistor and/or thyristor.
  • This individual control of the switching elements for setting the heating power by the control circuit 20 can be implemented, for example, on the basis of pulse width modulation.
  • the electrical power can be converted into heat, for example by heating wires 34 and/or heating coils (heating spirals), and delivered to the heating plates 30 or to the heating plates 30.
  • heating plates 30 and/or in the heating circuits 31 can result in different temperature distributions and/or temperature gradients in the heating plates 30 and/or in the heating circuits 31. This can lead to the formation or development of hotspots (heat pockets) or heat concentrations, where material fatigue can be greater than in the other regions of the continuous flow heater 14.
  • heating coils in particular can cause electromagnetic radiation 36.
  • a reduction in the electromagnetic radiation 36 can be achieved by appropriately controlling the switching elements 33.
  • the switching behavior or the controlling of the switching elements 33 or the distribution of the requested total heating power 32 to the individual heating power of the respective heating circuits 31 can take place depending on configuration data 40, which can be stored or implemented in the control circuit 20 and which are based on findings or information regarding the formation of hotspots for different operating modes and/or different installation positions of the instantaneous water heater 14. Such information can be based, for example, on simulation and/or on error reports from vehicles already in operation.
  • the same heater is installed in different positions and orientations in different vehicle models. This means that the temperature distribution in the eDH on the heating plates, in the entire component, and the flow behavior of the coolant vary, among other things. This can even lead to functional differentiation. Nevertheless, the heater is not adapted to this, which is why it does not work optimally and the effective efficiency (how much energy is released to the coolant in the form of heat) is reduced.
  • the high power required by the heater requires a lot of installation space and in order to meet the requirements, the materials for the heating plates must be of very high quality. This results in high proportional costs. Another consequence of the high power is that there is an increased risk of heating output breakdowns or other defects. This means that the eDH has a shorter service life and there is even a risk that the vehicle will break down, which leads to user dissatisfaction and high warranty costs. Depending on the operating mode, the charging time of the vehicle can also be noticeably longer.
  • the first is to transmit a signal with the information via the vehicle electrical system, for example. To do this, you have to determine this in advance for each vehicle model and then adapt the required software for it.
  • the second option is to automate this process by attaching additional sensors (e.g. a simple gyroscope) to the plates, which allows them to independently recognize how they are positioned. Once you have determined this, it is a matter of no longer allocating the same amount of power to all plates, but rather optimizing the power control depending on the circumstances. An example of this would be to switch on heating plates that are installed further down more strongly, since the heat rises upwards (efficiency) and vice versa.
  • heating plates that are installed further down become weaker. switched on than those at the top in order to be able to better dissipate temperature stress in the component, the other heating plates and/or the electronics.
  • Another approach is that heating plates or parts thereof which, from a flow perspective, have a higher risk of being damaged by the temperature, are operated with less power in certain situations. With appropriate synchronization and design, this approach also leads to an improved result in terms of the radiation of electromagnetic interference from the component. In particular, when using very fast and therefore energetically efficient power drivers, the radiated electromagnetic power is an obstacle which is thus improved in favor of the energy efficiency of the eDH.
  • Another variant is to synchronize the control in pairs, controlled 180° out of phase.
  • the power control prevents premature failures of the eDHs due to, for example, burnt-out cables or broken components.
  • the system can still be operated with cheaper and smaller heating plates of the same power, with the same long-term reliability.
  • the eDHs can be used in different vehicle models and still purchased as a standard device/identical part across many vehicle derivatives, i.e. installation positions, installation environments and flow conditions of the medium, which allows economies of scale to be better used in costs.
  • the optimized power control ensures that an optimized and therefore possibly lower overall power is required for the same heating effect. Due to the energy saved, BEVs and PHEVs benefit from a higher maximum range and lower energy costs for the same route.
  • Operating states/operating histories can also be taken into account in order to ensure optimum heating performance for the user over the long term.
  • a further advantage is that the mode can be technically changed at a later date through pre-implementation in the device software, for example if new findings on failure statistics and the warranty situation only emerge after production of the vehicle has started. The corrected, improved mode then only needs to be set via a software update, which usually occurs in the life cycle of a vehicle anyway. This means that there are no mechanical repair costs and the measure can take effect in vehicles before damage occurs and improve robustness.
  • Vehicle Energy source Vehicle component Instantaneous water heater Heating circuit Medium Valves

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Durchlauferhitzers (14) in einem Fahrzeug (10), insbesondere einem Elektrofahrzeug (10), wobei der Durchlauferhitzer (14) mehrere elektrische Heizkreise (31) zum elektrischen Erzeugen einer jeweiligen Heizleistung in einer von einem zu erwärmenden Medium (16) durchströmten Heizstrecke aufweist und durch eine Steuerschaltung (20) durch Ansteuern eines jeweiligen steuerbaren elektrischen Schaltelements (33) des jeweiligen Heizkreises (31) eine Leistungsteuerung der jeweiligen Heizleistung des jeweiligen Heizkreises (31) durchgeführt wird, wobei eine Summe der Heizleistungen auf eine Gesamtheizleistung (32) eingestellt wird. Die Erfindung sieht vor, dass durch die Steuerschaltung (20) eine Aufteilung der Gesamtheizleistung (32) in die Heizleistungen der Heizkreise (31) in Abhängigkeit von Konfigurationsdaten (40) durchgeführt wird, wobei die Konfigurationsdaten (40) von einer aktuellen Temperatur des zu heizenden Mediums (16) unabhängig sind.

Description

Elektrischer Durchlauferhitzer für ein Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, Betriebsverfahren für den Durchlauferhitzer und Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Durchlauferhitzers in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Elektrofahrzeug. Das Verfahren geht davon aus, dass der Durchlauferhitzer mehrere elektrische Heizkreise umfasst. Ein Heizkreis kann durch einen elektrischen Schaltkreis bereitgestellt sein, der zumindest einen Heizdraht und/oder zumindest eine Heizwendel umfasst. Beim Betreiben eines Heizkreises entstehen an dem jeweiligen Heizdraht bzw. der jeweilige Heizwendel Temperaturgradienten und/oder Temperaturwechsel, die Materialbelastungen verursachen, die zu einer unerwünscht frühen Materialermüdung führen können, was verhindert werden soll. Die Erfindung umfasst auch einen Durchlauferhitzer, der gemäß dem Verfahren betrieben werden kann, so wie ein Fahrzeug mit einem solchen Durchlauferhitzer. Das Fahrzeug ist insbesondere als Elektrofahrzeug vorgesehen.
Bei Elektrofahrzeugen, z.B. Batterie- Elektrofahrzeugen (BEVs) und Plugin-Hybrid- Elektrofahrzeugen (PHEVs), funktioniert die Heizung/Erwärmung des Innenraums nicht wie bei einem Verbrenner über die Verlustwärme des Verbrennungsmotors, sondern auch oder ausschließlich über einen elektrisch betriebenen Durchlauferhitzer. Alternativ oder zusätzlich kann durch eine Wärmepumpe, welche die Wärme der Hochvoltbatterie oder des Elektromotors abgreift, auf die benötigte Temperatur erhitzt werden. Reicht dies nicht aus (z.B. an kalten Tagen oder zu Beginn der Fahrt), wird das Kühlmittel zusätzlich über eine elektrische Heizung, nämlich einem elektrischen Durchlauferhitzer (eDH), erwärmt. Zudem wird der eDH auch verwendet, um das Hochvoltsystem, HVS, des Elektrofahrzeugs so zu konditionieren, sodass sich in vielen Betriebssituationen die Ladezeit verkürzt.
Die elektrische Heizung im elektrischen Durchlauferhitzer, eDH, hat eine sehr hohe Leistung (z.B. bis zu 9kW). Bei dem hier zugrundeliegenden Modell von Durchlauferhitzer ist die Funktionsweise wie folgt: Das Kühlmittel (zu erhitzendes Medium) durchfließt die elektrische Heizung oder Heizstrecke und wird dabei an einer oder mehreren Heizplatten durch mehrere elektrische Heizkreise erhitzt. Dabei ist jeder Heizkreis über zumindest einen eigenen Leistungstreiber (z.B. spezielle Transistoren) mit der Hochvolt- Spannungsversorgung (HVS) verbunden. Die Ansteuerung der Leistungstreiber erfolgt z.B. über Pulsweitenmodulation, PWM, durch eine Steuerelektronik (Steuerschaltung), wodurch die Heizleistung der Heizkreise einzeln oder individuell gesteuert werden kann. Es werden in der Regel alle Heizkreise gleichmäßig mit Leistung versorgt.
Aus der DE 4 211 590 C1 ist ein elektrischer Durchlauferhitzer mit einem Kaltwasser- Einlauf, einer Steuereinrichtung, einer Heizstrecke und einem Warmwasser-Auslauf bekannt, dessen Heizstrecke wenigstens zwei einzeln steuerbare und/oder schaltbare Heizelemente aufweist, von denen wenigstens eines wärmebedarfsabhängig steuerbar ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen elektrischen Durchlauferhitzer für ein Fahrzeug materialschonend zu betreiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Als eine Lösung umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Durchlauferhitzers in einem Fahrzeug. Das Verfahren geht davon aus, dass der Durchlauferhitzer mehrere elektrische Heizkreise zum elektrischen Erzeugen einer jeweiligen Heizleistung in einer von einem zu erwärmenden Medium durchströmten Heizstrecke aufweist. Die Heizstrecke kann beispielsweise durch ein Rohr oder einen Kanal gebildet sein, der jeweils von dem Medium durchströmt oder durchflossen werden kann. Als das Medium kann bekannter Weise ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser oder Öl, vorgesehen sein. Die Heizkreise können gemeinsam dieselbe Heizstrecke oder unterschiedliche Zweige oder Abschnitte der Heizstrecke beheizen. Um sie zu erhitzen, werden sie mit elektrischer Leistung versorgt.
Eine Steuerschaltung steuert hierzu ein jeweiliges steuerbares elektrisches Schaltelement (ein oder mehrere Halbleiterschalter, MOSFET, Leistungstreiber) des jeweiligen Heizkreises an, um eine Leistungsteuerung der jeweiligen Heizleistung des jeweiligen Heizkreises durchzuführen, wobei die Summe der Heizleistungen der Heizkreise auf eine Gesamtheizleistung eingestellt wird, wie sie für den Durchlauferhitzer vorgegeben sein kann. Beispielsweise kann die Gesamtheizleistung durch einen Temperaturregelkreis vorgegeben werden, die Aufteilung auf die Heizkreise kann dann durch die Konfigurationsdaten gesteuert werden. Die Leistungssteuerung in den einzelnen Heizkreisen kann beispielsweise auf der Grundlage der besagten Pulsweitenmodulation, PWM, erfolgen, durch welche das jeweilige Schaltelement zwischen unterschiedlich elektrisch Schaltzuständen (beispielsweise elektrisch leitend und elektrisch sperrend) geschaltet werden kann. In dem jeweiligen Schaltelement kann jeweils ein oder mehrere Halbleiterschalter, beispielsweise zumindest ein Transistor, wie MOSFET (MOS-Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), und/oder ein jeweiliger Bipolartransistor, vorgesehen sein.
Allgemein werden solche elektrischen Schaltelemente als Leistungstreiber bezeichnet. Da jeder Heizkreis ein eigenes Schaltelement vorsieht, kann durch die Steuerschaltung jeder Heizkreis individuell in Bezug auf die in ihm umgesetzte oder in ihm bereitgestellte Heizleistung gesteuert oder eingestellt werden. Insgesamt ergibt sich eine Gesamtheizleistung, die beispielsweise im Falle einer Klimaanalage durch einen Benutzer vorgegeben sein kann, der eine Heizstufe für das Beheizen eines Innenraums vorgegeben oder eingestellt haben kann. In an sich bekannter Weise können in die Heizkreise zumindest bereichsweise auf einer Heizplatte oder mehrere Heizplatten angeordnet sein, die jeweils beispielsweise aus einer Keramik gefertigt sein können.
Elektrisch leitfähige Leitungen des jeweiligen Heizkreises können beispielsweise mit der jeweiligen Heizplatte verbunden oder darin eingebettet sein.
Um die Materialermüdung zu verringern, die sich beim Betrieb der Heizkreise durch die sich in den Heizplatten und/oder in der Heizstecke verursachten Temperaturschwankungen und/oder Temperaturkonzentrationen (Hotspot) ergeben, sieht die Erfindung vor, dass durch die Steuerschaltung eine Einteilung oder Aufteilung der Gesamtheizleistung in die Heizleistungen der Heizkreise in Abhängigkeit von (in einem Datenspeicher der Steuerschaltung gespeicherten) Konfigurationsdaten durchgeführt wird, wobei die Konfigurationsdaten bzw. die von den Konfigurationsdaten vorgegebene Aufteilung von einer aktuellen Temperatur des zu heizenden Mediums unabhängig sind. Der eigentlichen Temperatursteuerung wird also durch die Konfigurationsdaten noch ein Leistungsprofil oder eine Leistungsaufteilung aufgeprägt.
Der Begriff „Konfigurationsdaten“ ist dabei dahingehend umfassend zu verstehen, als dass es sich um eine datenbasierte Steuerung der Steuerschaltung handelt, die auf mehrere unterschiedliche Arten umgesetzt werden kann. Folgendes sind mögliche Beispiele: Die Konfigurationsdaten können als eine programmbasierte Steuerung der Steuerschaltung realisiert sein. Die Konfigurationsdaten können zusätzlich oder alternativ zumindest ein Kennfeld vorsehen, dass für unterschiedliche Betriebswerte und/oder Betriebssituationen jeweils eine andere Aufteilung der Gesamtheizleistung auf die einzelnen Heizkreise vorsehen kann. Zusätzlich oder alternativ dazu können die Konfigurationsdaten Parameterwerte in einer Steuersoftware, beispielsweise zumindest einen Schwellenwert und/oder Grenzwert und/oder eine Obergrenze vorgeben. Zusätzlich oder alternativ dazu können die Konfigurationsdaten beispielsweise durch eine parametrische Funktion implementiert sein, welche eine funktionale Abhängigkeit zwischen zumindest einer Betriebsgröße und der einzustellenden Heizleistung für zumindest einen Heizkreis vorgibt. Die Gesamtheizleistung kann beispielhaft in einem Bereich zwischen 1 kW und 15 kW liegen. Für Durchlauferhitzer dieser Größenordnung haben sich Materialermüdung als besonderes technisches Problem erwiesen. Damit nun die bereitzustellende oder zu erzeugende Gesamtheizleistung durch Vorgeben von Konfigurationsdaten auf die unterschiedlichen Heizkreise aufgeteilt oder eingeteilt werden kann, kann jeder Heizkreis somit mit einer unterschiedlichen Heizleistung betrieben werden. Hierdurch kann berücksichtigt werden, dass einer oder einige der Heizkreise im Vergleich zu zumindest einem anderen der Heizkreise schonender betrieben werden muss, weil er beispielsweise in einem Hotspot angeordnet ist, in welchem sich durch Hitzestau oder Wärmestau eine überproportionale (im Vergleich zu den übrigen Heizkreisen) große lokale Erhitzung ergeben kann. In dem die Steuerschaltung dahingehend konfiguriert wird, dass sie das Aufteilen der Gesamtheizleistung auf die einzelnen Heizkreise in Abhängigkeit von Konfigurationsdaten vornimmt, die nicht von der eigentlichen Temperatursteuerung abhängen, sondern das Verhältnis der Aufteilung allgemein festlegt, nämlich für unterschiedliche Vorgaben der Gesamtheizleistung, kann also der eigentlichen Temperatursteuerung oder Temperaturregelung durch die Kenndaten die Betriebsstrategie für den schonenden Betrieb des Durchlauferhitzers überlagert oder ergänzt werden. Die Leistungssteuerung durch Ansteuern der Schaltelemente kann mit einer Methode aus dem Stand der Technik implementiert werden, beispielsweise einer Regelung einer Stromstärke und/oder ein Einschaltzeit.
Abgeleitet aus Simulationsdaten einer numerischen Simulation kann eine zu erwartende Einschränkung der möglichen Betriebszeit/ Betriebszyklen bei einem gegebenen elektrischen Durchlauferhitzer, eDH, ermittelt werden. Das heißt, es ist ermittelbar, ob und/oder wo zu erwarten ist, dass der Durchlauferhitzer vor seiner zu erwartenden oder vorgegebenen Betriebszeit im Benutzerbetrieb einen Defekt erleiden könnte. Der Austausch wäre aufwändig, neben dem reinen Teilepreis müssten das Fahrzeug aus Hochvoltsicht stillgelegt/ gesichert werden, im Weg befindliche andere Teile demontiert werden, Medien-Leitungen geleert und demontiert werden und nicht zuletzt bedeutet das auch eine große Unzufriedenheit beim Benutzer. Durch Reduzieren von Temperaturen in Hotspots (Wärmetaschen) und/oder Temperaturgradienten oberhalb eines Maximalwerts kann ein Versagen oder ein Ausfall eines dort befindlichen Heizkreise vermieden werden.
Die Erfindung umfasst auch Weiterentwicklungen, die zusätzliche Vorteile realisieren können.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass die Konfigurationsdaten in der Steuerschaltung permanent vorgegeben oder eingespeichert sind. Beispielsweise können die Konfigurationsdaten bei der Herstellung des Fahrzeugs in dem Steuergerät abgespeichert oder eingeprägt werden. Ist bekannt, für welches Fahrzeug ein Durchlauferhitzer verwendet wird, so kann durch Einprägen oder Abspeichern der Konfigurationsdaten in die Steuerschaltung diese für das Fahrzeug konfiguriert werden, um beispielsweise zu berücksichtigen, welcher der Heizkreise des Durchlauferhitzers mit im Verhältnis zu den übrigen Heizkreisen verringerter oder kleinster elektrischer Leistung betrieben werden muss, weil beispielsweise anhand der beschriebenen Simulationsdaten einer Simulation ein Hotspot oder Hitzestau für diesen Heizkreis identifiziert wurde, falls er sich in der Einbauposition im Fahrzeug befindet. Somit kann mit ein und demselben Modell eines Durchlauferhitzers für unterschiedliche Fahrzeugmodelle ein schonender Betrieb ohne bauliche Anpassung des Durchlauferhitzers an das jeweilige Fahrzeugmodell implementiert werden.
Die Konfigurationsdaten können alternativ im Betrieb der Steuerschaltung verändert werden (Update). Durch ein solches nachträgliches Verändern der Konfiguration, beispielsweise mittels eines Updates der Konfigurationsdaten in der Steuerschaltung, kann auf neue Erkenntnisse und/oder Langzeitversuche an Prototypen dahingehend reagiert werden, als dass auch in Fahrzeugen, die sich bereits in der Benutzung durch Kunden befinden, ebenfalls eine Anpassung der Betriebsweise, das heißt der Aufteilung der Heizleistung auf die Heizkreise, erfolgen kann.
Es kann durch die Steuerschaltung im Betrieb zwischen unterschiedlichen der Konfigurationsdaten umgeschaltet oder ausgewählt werden, d.h. in Abhängigkeit von einer detektierten aktuellen Betriebssituation kann das Ansteuern der Heizkreise gemäß den ausgewählten Konfigurationsdaten durchgeführt werden. Bei dieser Variante können bereits in den Konfigurationsdaten mehrere unterschiedliche Betriebssituationen berücksichtigen. Beispielsweise können in den Konfigurationsdaten mehrere unterschiedliche Fahrzeugmodelle berücksichtigt sein und der Durchlauferhitzer kann durch Auswahlen oder Umschalten in den Konfigurationsdaten für das jeweilige Fahrzeugmodell ertüchtigt werden, denn die Steuerschaltung kann sich dann durch Auswahlen der zum Fahrzeug oder dessen Fahrzeugmodell passenden Teilen der Konfigurationsdaten ihren Betrieb an das Fahrzeugmodell des Fahrzeugs anpassen. Beispielsweise kann der Steuerschaltung durch ein Signal aus einem Kommunikations- Bordnetz, beispielsweise einem Kommunikationsbus, signalisiert werden, zu welchem Fahrzeugmodell das Fahrzeug gehört, in welche der Durchlauferhitzer eingebaut ist. Die Steuerschaltung kann sich dann selbsttätig an das Fahrzeugmodell in Bezug auf die Betriebsweise der Heizkreise und insbesondere die Aufteilung der Heizleistungen anpassen.
Im Folgenden ist durch beispielhafte mögliche Ausgestaltungen der Steuerschaltung beschrieben, was durch die Konfigurationsdaten in der Steuerschaltung gesteuert oder vorgegeben werden kann, um einen schonenden Betrieb des Durchlauferhitzers zu erzielen.
So umfasst eine Weiterentwicklung, dass durch die Konfigurationsdaten eine Bedingung für das Ansteuern der Schaltelemente vorgegeben wird, die eine jeweilige Obergrenze für die Heizleistung eines oder einiger oder jedes der Heizkreise vorgibt. Mit anderen Worten wird vermieden, dass in einem jeweiligen Heizkreis mehr Heizleistung als die Obergrenze zulässt, eingestellt oder zugeführt wird. Hierdurch kann für den jeweiligen Heizkreis ein Hotspot oder eine Überhitzung vermieden werden. Durch das Aufteilen durch Vorgeben der Obergrenzen kann ein ungleichmäßiger Verschleiß der Heizkreise vermieden werden. Durch Variieren der Obergrenze über der Zeit kann zudem auch ein gezieltes Angleichen des Verschleißes einzelner Heizkreise an den jeweiligen Verschleißzustand eines anderen der Heizkreise erreicht oder koordiniert werden.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass durch die Konfigurationsdaten eine Bedingung vorgegeben wird, die ein (leistungsmäßig) koordiniertes Schalten der Schaltelemente zumindest zweier der Heizkreise vorsieht, deren Heizleitungen in dem Durchlauferhitzer unmittelbar benachbart angeordnet sind, wobei das koordinierte Schalten eine Abhängigkeit der Heizleistung und/oder eines Schaltzustands eines der koordiniert geschalteten Heizkreise von der Heizleistung bzw. des Schaltzustands eines anderen der koordiniert geschalteten Heizkreise vorsieht. Die genannten Heizleitungen können die beschriebenen Heizdrähte und/oder Heizwendel sein, von denen jeder Heizkreis jeweils eine oder mehrere aufweisen kann. Durch Berücksichtigen benachbart angeordneter Heizleitungen, also solcher Heizleitungen, zwischen denen keine weitere Heizleitung eines anderen Heizkreises verlegt ist oder angeordnet ist, können thermische Hotspots vermieden werden. Beispielsweise kann das koordinierte Schalten solcher Heizkreise vorsehen, dass als Bedingung eine Summe der Heizleistungen, die durch diese Heizkreise zeitgleich bereitgestellt wird, kleiner als ein vorgegebener Maximalwert sein soll. Ein solcher Maximalwert kann beispielsweise mittels einer Simulation ermittelt werden. Er kann auch abhängig von einer Strömungsgeschwindigkeit oder Durchlaufrate (Liter pro Minute) des Mediums eingestellt werden. So kann beispielsweise in einem solchen Bereich, in welchem die Heizleitungen den geringsten Abstand zueinander aufweisen, ein dort möglicher Hotspot vermieden werden oder dessen Temperatur unter einem Höchstwert gehalten werden, wenn das Medium die Wärmeenergie ansonsten zu langsam abtransportieren würde.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass durch die Konfigurationsdaten eine Bedingung vorgegeben wird, die ein synchronisiertes Schalten, insbesondere ein zeitversetztes und/oder phasenversetztes Schalten zumindest zwei der Schaltelemente vorgibt. Ein synchronisiertes Schalten bedeutet, dass das Schalten zeitlich abgestimmt erfolgt, beispielsweise zeitlich versetzt. Hierdurch kann beispielsweise bei induktivwirkenden elektrischen Bauelementen in den Heizkreisen vermieden werden, dass sich zeitgleich verursachte Schaltspitzen, wie sie durch Induktion beim Unterbrechen eines Stromflusses verursacht werden, aufaddieren oder überlagern können. Sie werden stattdessen zeitversetzt verursacht. Bei periodischem oder zyklischen Schalten, z.B. bei der PWM, kann durch einen Zeitversatz der Schaltvorgänge mehrerer Heizkreise beispielsweise destruktive Indifferenz oder Auslöschungen bei abgestrahlter elektromagnetischer Strahlung und/oder bei einer Rippeispannung im elektrischen Versorgungsnetz erreicht werden, sodass beispielsweise andere Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise elektronische Steuergeräte, ungestört bleiben.
Eine Weiterentwicklung hierzu umfasst, dass das phasenversetzte Schalten für solche der Heizkreise vorgegeben wird, deren elektrische Heizleitungen und/oder deren elektrische Versorgungsleitungen unmittelbar benachbart (keine andere Leitung dazwischen) angeordnet sind. Eine solche benachbarte Anordnung von Heizleitungen und/oder Versorgungsleitungen ergibt sich beispielsweise bei einer Twisted-Pair-Anordnung von Versorgungsleitungen und/oder bei einer elektrischen oder elektromagnetischen Schirmung einer Versorgungsleitung. Um den Auslöschungseffekt zu fördern, können Heizleitungen sogar beispielsweise gezielt bei der Herstellung der Heizplatten parallel zueinander verlegt werden, insbesondere in Form von Heizwendel n, um sie dann durch phasenversetztes Schalten, insbesondere mit einem Phasenversatz von 180 Grad, in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit EMV verbessert oder vorteilhaft betreiben zu können. Die Antennenwirkung einer Heizleitungen kann dann durch den Phasenversatz mittels destruktiver Indifferenz durch die Antennenwirkung der anderen Heizwendel kompensiert werden. Somit können zumindest zwei der Heizkreise einen phasenversetzten Pulsbetrieb vorsehen, z.B. mit einer Pulsrate in einem Bereich von 5 Hz bis 50 kHz, was insbesondere bei der pulsweiten Modulation vorkommen kann oder genutzt werden kann, die dann phasenversetzt, insbesondere um 180 Grad phasenversetzt, erfolgt.
In Bezug auf die Pulsweitenmodulation ergibt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung, indem durch die Konfigurationsdaten das synchronisierte Schalten entweder für alle oder nur für einige der durch die PWM vorgesehenen oder möglichen Schaltfrequenzen vorgegeben wird. Da die Pulsweitenmodulation im Betrieb die Pulsfrequenzen in einem vorgegebenen Frequenzbereich variiert oder variable Schaltfrequenzen der Pulse vorsieht, kann es vorkommen, dass nur gelegentlich bestimmte, störende Schaltfrequenzen dann durch die Heizkreise verursachte elektromagnetische Störung im Fahrzeug erzeugt, die beispielsweise einen Radiosender stört. Sind solche Schaltfrequenzen bekannt, so kann für diese durch Vorgeben entsprechender Konfigurationsdaten eine Auslöschung oder Dämpfung der elektromagnetischen Störstrahlung durch das beschriebene synchronisierte Schalten vorgegeben werden.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass die Konfigurationsdaten für unterschiedliche Einbaupositionen und/oder räumliche Einbaulagen des Durchlauferhitzers in dem Fahrzeug und/oder für unterschiedliche Fahrzeugmodelle unterschiedliche Aufteilungen der Gesamtheizleistung vorsehen und durch die Steuerschaltung diejenigen der Konfigurationsdaten ausgewählt werden, welche für eine tatsächliche Einbauposition und/oder Einbaulage des Durchlauferhitzers vorgesehen sind. Die Einbauposition und/oder Einbaulage kann durch vorgegebene Positionsdaten signalisiert werden. Das Ansteuern der Schaltelemente und dadurch das Einstellen der Heizleistungen in den Schaltelementen erfolgt dann gemäß den ausgewählten Konfigurationsdaten.
Eine wichtige Erkenntnis ist, dass die Einbauposition, also die räumliche Nachbarschaft zu anderen Fahrzeugkomponenten des Fahrzeugs und/oder die Einbaulage, beispielsweise eingebaut kopfüber oder waagerecht, einen Einfluss auf die Temperaturverteilung und/oder die Wärmedissipation im Durchlauferhitzer haben kann. Des Weiteren kann durch die Nachbarschaft zu anderen Fahrzeugkomponenten auch dort eine Überhitzung oder Materialermüdung durch Wärmeabstrahlung verursacht werden. Durch Vorgeben entsprechender Konfigurationsdaten können dann die Einbauposition oder/oder die Einbaulage beim Verteilen der Gesamtheizleistung auf die Heizkreise berücksichtigt werden. Ist dann bekannt, in welcher Einbauposition und/oder Einbaulage der Durchlauferhitzer in dem Fahrzeug verbaut ist, was beispielsweise durch eine Signalisierung des Fahrzeugmodells über das beschriebenen Kommunikations-Bordnetz erfolgen kann, kann dann der Betrieb des Durchlauferhitzers entsprechend angepasst oder konfiguriert werden. Beispielsweise kann ein Steuergerät des Fahrzeugs signalisieren, welches Fahrzeugmodell vorliegt. Wo sich Ermüdungserscheinungen aufgrund von Einbaupositionen und/oder räumlicher Einbaulage ergeben können, kann in der beschriebenen Weise durch Simulation und/der durch Statistiken von Schadensberichten ermöglicht oder realisiert werden.
Während des Betriebs des Durchlauferhitzers können sich unterschiedlich günstige oder unterschiedlich verschleißende Betriebszustände ergeben. Auf diese kann dann durch entsprechendes Vorgeben von zustands-spezifischen Konfigurationsdaten reagiert werden, indem das Aufteilen der Heizleistungen der Heizkreisen an den Betriebszustand angepasst wird.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass durch die Steuerschaltung gemäß den Konfigurationsdaten für unterschiedliche Betriebszustände des Durchlauferhitzers, welche sich in Bezug auf Strömungsbedingungen des Mediums (Flussgeschwindigkeit, Durchflussrate) unterscheiden, und/oder für unterschiedlich Betriebsmodi, welche sich in Bezug auf eine fluidische Kopplung der Heizstrecke mit unterschiedlichen Fahrzeugkomponenten des Fahrzeugs unterscheiden, das Aufteilungen und/oder Ansteuern der Schaltelemente unterschiedlich eingestellt wird. Somit kann beispielsweise berücksichtigt werden, wenn sich die Kühlwirkung, welche das Medium auf den Durchlauferhitzer hat, mit abnehmender Flussgeschwindigkeit und/oder Durchflussrate verringert. Zusätzlich und alternativ dazu können auch die hydraulischen Bedingungen, die sich durch die Kopplung unterschiedlicher Fahrzeugkomponenten, beispielsweise einerseits eines Klimakompressors und andererseits einer Klimatisierung einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs, ergeben können, als unterschiedliche Betriebsmodi angesehen und entsprechende Konfigurationsdaten bereitgestellt werden. Durch diese kann dann das Ansteuern der Schaltelemente (beispielsweise deren koordinierter Betrieb) oder die Aufteilung der Heizleistung (beispielsweise durch Vorgeben einer Obergrenze in Abhängigkeit vom Betriebsmodus) variiert oder an den Betriebsmodus angepasst werden. Der Betriebszustand bzw. der Betriebsmodus kann anhand einer Sensorschaltung des Durchlauferhitzers selbst gemessen werden (z.B. die Flussgeschwindigkeit und/oder der Druck im Medium) und/oder er kann aus einem anderen Steuergerät des Fahrzeugs signalisiert werden, das z.B. Ventile für die hydraulische Kopplung steuert.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass durch die Steuerschaltung gemäß den Konfigurationsdaten das Aufteilen der Gesamtheizleistung und/oder das Ansteuern der Schaltelemente in Abhängigkeit von einer jeweiligen Betri ebshistorie erfolgt. Die Betriebshistorie gibt insbesondere ein Alter und/oder Betriebsstunden und/oder eine umgesetzte Gesamtenergie des jeweiligen Heizkreises an. Ist beispielsweise aus der Betriebshistorie bekannt, dass der Durchlauferhitzer mehr Kaltstarts als ein vorbestimmter Schwellenwert durchgeführt hat, so kann ein Heizkreis, der durch einen solchen Kaltstart besonders verschleißt oder ermüdet, mittels der Konfigurationsdaten in Bezug auf die von ihm umgesetzte Heizleistung reduziert oder angepasst werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann auch ein absolutes Alter und/oder eine Anzahl von Betriebsstunden und/oder eine insgesamt umgesetzte Energie für einen Heizkreis ermittelt oder protokolliert werden. Hier kann dann ein Umverteilen oder eine Leistungsverlagerung ausgelöst werden, wenn die Betriebshistorie signalisiert, dass für zumindest einen der Heizkreise eine Verschleißgrenze erreicht ist oder ein Verschleißzustand einen vorbestimmten Grenzwert erreicht hat. Somit kann eine gleichmäßige Materialermüdung und/oder ein gleichmäßiger Verschleiß der Heizkreise ermöglicht werden.
Im Folgenden ist nochmal allgemein das Steuerprinzip für den Durchlauferhitzer beschrieben. Durch die Konfigurationsdaten können für unterschiedliche mögliche Betriebssituationen, in welchen sich der Durchlauferhitzer in dem Fahrzeug dauerhaft und/oder zeitweise betreiben lässt, unterschiedliche z.B. proportionale Anteile der jeweiligen Heizleistung an der Gesamtheizleistung und/oder Leistungsobergrenzen für zwei oder mehrere oder alle der Heizkreise vorgegeben werden. Durch die Steuerschaltung können entsprechend mittels einer eigenen Sensorschaltung und/oder durch Empfang aus einem anderen Steuergerät Situationsdaten ermittelt werden, welche die tatsächliche Betriebssituation signalisieren. Das Ansteuern der Schaltelemente der Heizkreis kann gemäß denjenigen der Konfigurationsdaten erfolgen, welche für die durch die Situationsdaten signalisierte Betriebssituation vorgegeben sind. Eine Betriebssituation ergibt sich beispielsweise schon dadurch, dass der Durchlauferhitzer dauerhaft in einem Fahrzeug eines bestimmten Fahrzeugmodells eingebaut ist und/oder bleibt. Hier kann die beschriebene Anpassung an das Fahrzeugmodell und/oder die Einbauposition und/oder Einbaulage erfolgen. Ein Wechseln der Ansteuerung der Schaltelemente und/oder der Aufteilung der Heizleistungen kann durch ein Ermitteln eines Wechsels der aktuellen Betriebssituation erfolgen, die sich eben im Betrieb des Fahrzeugs ändern kann, weil beispielsweise unterschiedliche Fahrzeugkomponenten fluidisch mit dem Durchlauferhitzer zu unterschiedlichen Zeitpunkten gekoppelt sein können und/oder sich die Durchflussrate des Mediums ändert. Indem der Steuerschaltung die aktuelle Betriebssituation signalisiert wird und/oder die Steuerschaltung die aktuelle Betriebssituation selbst ermittelt, ergeben sich die Situationsdaten, anhand welchen dann Konfigurationsdaten ausgewählt oder anhand der Konfigurationsdaten das Aufteilen der Heizleistung und/oder das Ansteuern der Schaltelemente für unterschiedliche Betriebssituationen unterschiedlich erfolgen kann.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass die Konfigurationsdaten ein Codierflag erhalten, von dessen Zustand abhängig gesteuert wird, dass die Aufteilung entweder immer oder nur abhängig von einer Logik aus Fahrzeugparametern, insbesondere Länderausführung, Ziel-Markt, Materialvariante der Heizplatten und/oder ob es sich um ein dezidiertes Kaltlandfahrzeug handelt, aktiviert wird. Das heißt, man kann das Verfahren neben der dauerhaften Aktivierung in einem Fahrzeug, nun auch codieren, abhängig von einer Logik aus Fahrzeugparametern wie Länderausführung, Ziel-Markt, Materialvariante der Heizplatten (z.B. wenn diese von mehreren Lieferanten kommen, oder in einem bestimmten Markt lokal gesourced werden (müssen), oder ob es sich um ein dezidiertes Kaltlandfahrzeug handelt. Dies sind Informationen, die im Fahrzeug-Auftrag stehen und für die Codierung herangezogen werden können. Eine Weiterentwicklung hierzu umfasst, dass die Situationsdaten aus einem Bordnetz, mit welchem der Durchlauferhitzer gekoppelt ist, und/oder mittels einer Sensorschaltung des Durchlauferhitzers ermittelt werden. Mittels eines Kommunikations-Bordnetzes, beispielsweise einem CAN-Bus (CAN - Controller Area Network), kann der Steuerschaltung durch zumindest eine andere Fahrzeugkomponente signalisiert werden, welche Betriebssituation aktuell vorliegt und/oder welcher Betriebsmodus in dem Durchlauferhitzer einzustellen ist und/oder welche der Konfigurationsdaten gültig sind. Mittels einer Sensorschaltung kann die Steuerschaltung selbstständig in dem Fahrzeug ermitteln, welche Konfigurationsdaten zu verwenden sind. Beispielsweise kann die Senderschaltung einen Gyrosensor umfassen, mittels welchem eine Einbaulage des Durchlauferhitzers durch diesen und dessen Steuerschaltung selbsttätig ermittelt werden kann.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass durch die Steuerschaltung nach einer Verwendung der Konfigurationsdaten und in einem Wartungsmodus neue Konfigurationsdaten empfangen werden und die Konfigurationsdaten durch die empfangenen neuen Konfigurationsdaten vollständig oder teilweise ersetzt und/oder ergänzt werden. In dem Wartungsmodus, wie er beispielsweise bei einem Over-The-Air-Update und/oder in einer Werkstatt in den Durchlauferhitzer eingestellt werden kann, können die Konfigurationsdaten erneuert oder ergänzt werden. Somit kann der Durchlauferhitzer auch im Betrieb oder während seiner Lebenszeit im Fahrzeug mit weiteren Informationen über Verschleißanfälligkeit der Heizkreise versorgt werden und entsprechende Gegenmaßnahmen implementiert werden.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe umfasst die Erfindung einen elektrischen Durchlauferhitzer, aufweisend mehrere elektrische Heizkreisläufe, von denen jeder über ein jeweiliges steuerbares elektrisches Schaltelement mit einer Anschlusseinrichtung zur elektrischen Energieversorgung des jeweiligen Heizkreislaufs verschaltet ist. Die Steuerschaltung des Durchlauferhitzers kann beispielsweise auf zumindest einen Mikrokontroller und/oder zumindest einem Mikroprozessor und/oder einem ASIC (application-specific integrated circuit) beruhen. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte können als eine Software oder Programmcode in der Steuerschaltung implementiert sein und in einem Datenspeicher der Steuerschaltung gespeichert sein. Die Anschlusseinrichtung kann beispielsweise einen Stecker oder eine Buchse mit elektrischen Kontaktelementen umfassen, sodass über die Anschlusseinrichtung der Durchlauferhitzer mit einem elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs, beispielsweise einem Hochvolt-Bordnetz (Hochvolt - elektrische Spannungen größer als 60 V, insbesondere größer als 100 V) elektrisch verbunden kann.
Der Durchlauferhitzer umfasst eine Steuerschaltung zur Leistungssteuerung der durch die Schaltelemente in dem jeweiligen Heizkreislauf umgesetzten elektrischen Leistung (Heizleistung) bereitgestellt ist und die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe umfasst die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Ausführungsform des hier beschriebenen elektrischen Durchlauferhitzers. Wie bereits ausgeführt, handelt es sich bei dem Fahrzeug insbesondere um ein Elektrofahrzeug, also beispielsweise das eingangs beschriebene BEV oder PHEV. In dem Fahrzeug ist es dann möglich, einen Betriebszustand und/oder eine Betriebshistorie zu berücksichtigen und durch Konfigurationsdaten zu steuern, inwieweit oder wie die Aufteilung der Heizleistungen zum Erreichen der Gesamtheizleistung in den Heizkreisen erfolgen soll. Somit ist eine lokale oder interne Temperaturverteilung in dem Durchlauferhitzer durch die Konfigurationsdaten nach Vorgaben betreffend die Materialermüdung oder den Verschleiß oder die elektromagnetische Verträglichkeit möglich.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Durchlauferhitzer; und Fig. 2 eine schematische Darstellung des Durchlauferhitzers mit unterschiedlichen Ausführungsformen von Heizkreisen.
Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug 10, dass ein Kraftwagen, insbesondere ein Personenkraftwagen, sein kann. Das Fahrzeug 10 kann als Elektrofahrzeug ausgestaltet sein. In dem Fahrzeug 10 kann eine elektrische Energiequelle 11 bereitgestellt sein, bei der es sich um beispielsweise um eine Fahrzeugbatterie (Traktionsbatterie oder Hochvoltbatterie) handeln kann. Zum Erwärmen oder Beheizen zumindest einer Fahrzeugkomponente 12,
13 kann ein Durchlauferhitzer 14 in dem Fahrzeug 10 bereitgestellt sein, der über einen Heizkreislauf 15 mit den Fahrzeugkomponenten 12, 13 fluidisch gekoppelt sein kann, um ein Medium 16, beispielsweise eine wasserbasierte oder ölbasierte Flüssigkeit, zu erhitzen. Beispielsweise über Ventile 17 kann sich hierbei ein Zustand der fluidischen Kopplung variieren. Beispielsweise können als Fahrzeugkomponente 12, 13 eine Klimaanlage für einen Fahrgastraum des Fahrzeugs 10 und/oder eine Klimatisierung der Fahrzeugbatterie vorgesehen sein.
Für eine Energieversorgung oder elektrische Leistungsversorgung des Durchlauferhitzers
14 kann dieser über eine Anschlusseinrichtung 18, beispielsweise eine elektrische Buchse oder einen elektrischen Stecker, mit einem elektrischen Bordnetz 19 verschaltet sein, dass durch die Energiequelle 11 mit elektrischer Leistung versorgt sein kann.
Der Durchlauferhitzer 14 kann eine Steuerschaltung 20 aufweisen, die über ein Kommunikationsbordnetz 21 mit zumindest einer weiteren elektronischen Komponente 22, beispielsweise einem jeweiligen elektronischen Steuergerät (ECU - electronic control unit) für einen Austausch von Situationsdaten 23 gekoppelt sein kann. Das Kommunikationsbordnetz 21 kann beispielsweise auf dem bereits erwähnten CAN-Bus und/oder einem Ethernet-Netzwerk und/oder einem Lin-Bus beruhen. Die Situationsdaten 23 können z.B. einen Schaltzustand der Ventile 17 signalisieren. Zusätzlich und alternativ dazu kann in den Durchlauferhitzer 14 selbst eine Sensorschaltung 24 bereitgestellt sein, mittels welcher die Steuerschaltung 20 Sensordaten 25 als Situationsdaten erfassen kann, beispielsweise eine räumliche Einbaulage 26, die in Fig. 1 symbolisch durch ein Koordinatensystem repräsentiert ist.
In dem Fahrzeug 10 kann der Durchlauferhitzer 14 in Bezug auf Materialverschleiß und/oder Materialermüdung schonend betrieben werden. Fig. 2 veranschaulicht hierzu Heizplatten 30, die beispielsweise aus Keramik gefertigt sein können und an welchen das Medium 16 vorbeigeführt oder vorbeiströmen kann, wodurch sich eine Heizstrecke für das Medium ergibt. Zum Beheizen der Heizplatten 30 können elektrische Heizkreise 31 vorgesehen sein, also elektrische Schaltkreise, die mit elektrischer Leistung aus dem elektrischen Bordnetz 19 versorgt werden können. Eine benötigte oder angeforderte Gesamtheizleistung 32 kann über das Kommunikationsbordnetz 21 beispielsweise aus einer der elektronischen Komponenten 22, beispielsweise einem Klimasteuergerät oder allgemein einer Bordelektronik, empfangen werden. Die jeweilige Heizleistung der Heizkreise 31 kann von der Steuerschaltung 20 individuell in Bezug auf den Strom in dem Heizkreis oder die elektrische Leistung über ein jeweiliges Schaltelement 33 eingestellt werden, das beispielsweise jeweils auf zumindest einem Halbleiter-Leistungsschalter, beispielsweise zumindest einem Transistor und/oder Thyristor, beruhen kann. Diese individuelle Ansteuerung der Schaltelemente zum Einstellen der Heizleistung durch die Steuerschaltung 20 kann beispielsweise auf der Grundlage einer Pulsweitenmodulation implementiert sein. In dem jeweiligen Heizkreis kann beispielsweise durch Heizdrähte 34 und/oder Heizwendel n (Heizspiralen) die elektrische Leistung in Wärme umgewandelt und an in den Heizplatten 30 oder an den Heizplatten 30 abgegeben werden.
Hierdurch können sich an den Heizplatten 30 und/oder in den Heizkreisen 31 unterschiedliche Temperaturverteilungen und/oder Temperaturgradienten in den Heizplatten 30 an den Heizkreisen 31 ergeben. Hierdurch kann es zur Bildung oder Ausbildung von Hotspots (Hitzetaschen) oder Hitzekonzentrationen kommen, an welchen eine Materialermüdung größer als in den übrigen Regionen des Durchlauferhitzers 14 sein kann. Zusätzlich oder alternativ dazu können insbesondere Heizwendel n elektromagnetische Strahlung 36 verursachen.
Diesem kann baulich, beispielsweise durch eine Schirmung 37 von Zuleitungen oder Versorgungsleitungen der Heizkreise und/oder durch eine geometrische Anordnung 38 der Heizkrise begegnet werden oder die Auswirkung der elektromagnetischen Strahlung 36 oder deren Stärke kann verringert werden. Zusätzlich kann durch entsprechendes Ansteuern der Schaltelemente 33 eine Verringerung der elektromagnetischen Strahlung 36 erreicht werden. Das Schaltverhalten oder das Ansteuern der Schaltelemente 33 oder das Aufteilen der angeforderten Gesamtheizleistung 32 auf die individuelle Heizleistung der jeweiligen Heizkreise 31 kann in Abhängigkeit von Konfigurationsdaten 40 erfolgen, die in der Steuerschaltung 20 gespeichert sein können oder implementiert sein können und welche auf Erkenntnisse oder Informationen bezüglich der Bildung von Hotspots für unterschiedliche Betriebsmodi und/oder unterschiedliche Einbaulagen des Durchlauferhitzers 14 beruhen. Solche Informationen können beispielsweise mittels Simulation und/oder aus Fehlerberichten von bereits im Betrieb befindlichen Fahrzeugen beruhen.
In unterschiedlichen Fahrzeug-Modellen wird die gleiche Heizung in unterschiedlichen Positionen und Orientierungen eingebaut. Dadurch variiert unter anderem die Temperaturverteilung im eDH auf den Heizplatten, im gesamten Bauteil, und das Fließverhalten des Kühlmittels. Dies kann sogar zu Funktionsdifferenzierungen führen. Dennoch wird die Heizung nicht darauf angepasst, weshalb sie nicht optimal arbeitet und der effektive Wirkungsgrad (wie viel Energie in Form von Wärme an das Kühlmittel abgegeben wird) geschmälert ist. Durch die hohe Leistung, die die Heizung beansprucht, wird viel Bauraum benötigt und um den Anforderungen gerecht zu werden, müssen die Materialen für die Heizplatten sehr hochwertig sein. Dadurch entstehen hohe Proportionalkosten. Des Weiteren ist eine Folge der hohen Leistung, dass eine erhöhte Gefahr besteht, dass es zu Heizleistungsdurchbrüchen oder anderen Defekten kommt. Dadurch hat der eDH eine geringere Lebensdauer und es besteht sogar ein Risiko, dass das Fahrzeug liegen bleibt, was zu Benutzer-Unzufriedenheit und hohen Gewährleistungskosten führt. Je nach Betriebsmodus kann sich auch die Ladezeit des Fahrzeugs merklich verlängern.
Die Idee sieht vor, dass sich die einzelnen Heizplatten oder Heizkreise individuell ansteuern lassen und nicht mehr alle mit der gleichen Leistung betrieben werden, sondern dass sich diese je nach Fall unterscheidet.
Es gibt mehrere Möglichkeiten den Heizplatten zu kommunizieren, in welchem Betriebszustand, Betriebshistorie, welcher Einbaulage und Orientierung sie sind. Die erste ist, dass man beispielsweise über das Bordnetz ein Signal mit der Information überträgt. Dafür muss man diese im Voraus für jedes Fahrzeugmodell feststellen und dann die benötigte Software dafür anpassen. Die zweite Möglichkeit ist, dass man diesen Prozess automatisiert, indem man weitere Sensoren (z.B. ein einfaches Gyroskop) an die Platten anbringt, wodurch sie selbstständig erkennen können, wie sie positioniert sind. Wenn man dies nun festgestellt hat, geht es darum, dass man nicht mehr allen Platten gleich viel Leistung zuweist, sondern dass man je nach Gegebenheiten die Leistungssteuerung optimiert. Ein Beispiel dafür wäre, dass man Heizplatten, die weiter unten verbaut sind, stärker zuschaltet, da die Wärme nach oben steigt (Wirkungsgrad) und entsprechend andersrum. Oder es werden Heizplatten, die weiter unter verbaut sind, schwächer zugeschaltet, als oben Liegende, um eine Temperaturbelastung im Bauteil, der anderen Heizplatten, oder/und auch der Elektronik besser abführen zu können. Ein weiterer Ansatz ist, dass Heizplatten oder Teile davon, die aus Strömungsgesichtspunkten ein höheres Risiko haben, durch die Temperatur kaputt zu gehen, mit situativ weniger Leistung betrieben werden. Dieser Ansatz führt bei entsprechender Synchronisierung und Auslegung auch zu einem verbesserten Ergebnis hinsichtlich der Abstrahlung elektromagnetischer Störungen der Komponente. Insbesondere beim Einsatz sehr schneller und damit energetisch effizienter Leistungstreiber ist die abgestrahlte elektromagnetische Leistung ein Hindernis, welches so zu Gunsten der Energieeffizienz des eDHs verbessert wird. Eine weitere Variante ist, die Ansteuerung paarweise synchronisiert, um 180° phasenverschoben zu steuern. Dabei würden sich bei enger geometrischer Anordnung der Zuleitungen zu den Heizplatten (z.B. über koaxial geführte, oder/ und geschirmte Leitungen) und enger geometrischer Anordnung der Heizdrähte auf den Heizplatten zwangsläufig auftretende EMV Störer noch weiter unterdrücken lassen. Dieser Punkt wird mit der laufenden und zu erwartenden Entwicklung noch schnellerer Leistungstreiber in Zukunft an Bedeutung gewinnen.
Mögliche Implementierungen der Idee sehen vor, dass man ein zusätzliches Bordnetzsignal benötigt, um die Leistungsschalter im Sinne eines Betriebs-Modus zu steuern und eventuell die Information über das Kommunikations-Bordnetz (z.B. CAN-Bus) zu vermitteln. Dieser einmalige Aufwand ist aber verschwindend gering und schlägt sich vor allem nicht in proportionalen Teilekosten je Fahrzeug nieder. Des Weiteren reicht nun ein Leistungs-Ausgang für die Steuerung aller Schalter nicht aus, sondern jeder benötigt einen eigenen Anschluss. Allerdings ist dies technisch ohnehin schon üblich, da kleine oder leistungsschwächere Leistungstreiber-Bausteine für die Schaltelemente überproportional kostengünstiger sind.
Durch die Leistungssteuerung werden frühzeitige Ausfälle der eDHs durch z.B. durchgebrannte Leitungen oder kaputte Bauteile vermieden. Alternativ kann man das System dennoch mit kostengünstigeren und kleineren Heizplatten der gleichen Leistung betreiben, bei gleicher Langzeitzuverlässigkeit. Man kann die eDHs in verschiedenen Fahrzeug Modellen nutzen und dennoch als Standardgerät/Gleichteil über viele Fahrzeugderivate, also Einbaulagen, Einbauumgebungen und Strömungsbedingungen des Mediums zukaufen, wodurch Skaleneffekte in den Kosten besser genutzt werden können. Die optimierte Leistungssteuerung sorgt dafür, dass für die gleiche Heizwirkung eine optimierte und daher ggf. insgesamt niedrigere Leistung benötigt wird. Durch die eingesparte Energie, profitieren BEVs und PHEVs von einer höheren maximalen Reichweite und von geringeren Energiekosten für die gleiche Strecke. Es können auch Betriebszustände/ Betriebshistorien berücksichtigt werden, um eine optimale Heizleistung dauerhaft für den Benutzer sicherzustellen. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch Vorimplementierung in der Geräte-SW (SW - Software) auch zu einem späteren Zeitpunkt der Modus technisch noch geändert werden kann, sollten sich beispielsweise erst nach Produktionsstart des Fahrzeugs neue Erkenntnisse zur Ausfallstatistik und Gewährleistungssituation ergeben. Es muss dann nur über ein SW-Update, welches im Lebenszyklus eines Fahrzeugs ohnehin üblicherweise vorkommt, der korrigierte verbesserte Modus eingestellt werden. Dadurch entstehen keine mechanischen Reparaturkosten und die Maßnahme kann bereits vor Eintreten eines Schadensfalles in Fahrzeugen wirksam werden und die Robustheit verbessern.
Somit ist gezeigt, wie eine Vermeidung von Hotspots in einem elektrischen Durchlauferhitzer durch die Idee ermöglicht wird.
Bezugszeichenliste
Fahrzeug Energiequelle Fahrzeugkomponente Durchlauferhitzer Heizkreislauf Medium Ventile
Anschlusseinrichtung Bordnetz Steuerschaltung Kommunikationsbordnetz Komponente Situationsdaten Sensorschaltung Sensordaten Einbaulage Heizplatten Heizkreise Gesamtheizleistung Schaltelement Heizdrähte Strahlung Schirmung Anordnung
Konfigurationsdaten

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Durchlauferhitzers (14) in einem Fahrzeug (10), insbesondere einem Elektrofahrzeug (10), wobei der Durchlauferhitzer (14) mehrere elektrische Heizkreise (31) zum elektrischen Erzeugen einer jeweiligen Heizleistung in einer von einem zu erwärmenden Medium (16) durchströmten Heizstrecke aufweist und durch eine Steuerschaltung (20) durch Ansteuern eines jeweiligen steuerbaren elektrischen Schaltelements (33) des jeweiligen Heizkreises (31) eine Leistungsteuerung der jeweiligen Heizleistung des jeweiligen Heizkreises (31) durchgeführt wird, wobei eine Summe der Heizleistungen auf eine Gesamtheizleistung (32) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuerschaltung (20) eine Aufteilung der Gesamtheizleistung (32) auf die Heizleistungen der Heizkreise (31) in Abhängigkeit von Konfigurationsdaten (40) durchgeführt wird, wobei die von den Konfigurationsdaten (40) vorgegebene Aufteilung von einer aktuellen Temperatur des zu heizenden Mediums (16) unabhängig ist. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Konfigurationsdaten (40) der Steuerschaltung (20) permanent vorgegeben sind oder im Betrieb der Steuerschaltung (20) verändert werden oder wobei durch die Steuerschaltung (20) im Betrieb zwischen unterschiedlichen der Konfigurationsdaten (40) in Abhängigkeit von einer detektierten aktuellen Betriebssituation ausgewählt und das Ansteuern gemäß den jeweils aktuell ausgewählten Konfigurationsdaten (40) durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Konfigurationsdaten (40) für das Ansteuern der Schaltelemente (33) eine durch die Steuerschaltung (20) einzuhaltende Bedingung vorgegeben wird, die eine jeweilige Obergrenze für die Heizleistung zumindest eines oder einiger oder jedem der Heizkreise (31) umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Konfigurationsdaten (40) eine durch die Steuerschaltung (20) einzuhaltenden Bedingung vorgegeben wird, die ein koordiniertes Schalten der Schaltelemente (33) zumindest zweier der Heizkreise (31) vorsieht, deren elektrische Heizleitungen in dem Durchlauferhitzer (14) unmittelbar benachbart angeordnet sind, wobei das koordinierte Schalten eine Abhängigkeit der Heizleistung und/oder eines Schaltzustands eines der koordiniert geschalteten Heizkreise (31) von der Heizleistung und/oder des Schaltzustands eines anderen der koordiniert geschalteten Heizkreise (31) vorsieht. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Konfigurationsdaten (40) eine durch die Steuerschaltung (20) einzuhaltenden Bedingung vorgegeben wird, die ein synchronisiertes Schalten, insbesondere ein zeitversetzten und/oder phasenversetztes Schalten, zumindest zweier der Schaltelemente (33) vorgibt. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das phasenversetzte Schalten für solche der Heizkreise (31) vorgegeben wird, deren elektrische Heizleitungen und/oder deren elektrische Versorgungsleitungen unmittelbar benachbart angeordnet sind. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei durch die Steuerschaltung (20) das Ansteuern der Schaltelemente (33) als eine Pulsweitenmodulation, PWM, durchgeführt wird und durch die Konfigurationsdaten (40) das synchronisierte Schalten für alle oder nur für einige der durch die PWM vorgesehenen Schaltfrequenzen vorgegeben wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konfigurationsdaten (40) für unterschiedliche Einbaupositionen und/oder räumliche Einbaulagen (26) des Durchlauferhitzers (14) in dem Fahrzeug (10) und/oder für unterschiedliche Fahrzeugmodelle unterschiedliche Aufteilungen der Gesamtheizleistung (32) vorsehen und durch die Steuerschaltung (20) diejenigen der Konfigurationsdaten (40), welche gemäß vorgegebenen Positionsdaten für eine tatsächliche Einbauposition und/oder Einbaulage (26) des Durchlauferhitzers (14) vorgesehen sind, ausgewählt und das Ansteuern gemäß den ausgewählten Konfigurationsdaten (40) durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Steuerschaltung (20) gemäß den Konfigurationsdaten (40) für unterschiedliche Betriebszustände des Durchlauferhitzers (14), welche sich in Bezug auf Strömungsbedingungen des Mediums (16) unterscheiden, und/oder für unterschiedliche Betriebsmodi, welche sich in Bezug auf eine fluidische Kopplung der Heizstrecke mit unterschiedlichen Fahrzeugkomponenten (12) des Fahrzeugs (10) unterscheiden, das Aufteilen der Gesamtheizleistung und/oder Ansteuern der Schaltelemente (33) unterschiedlich eingestellt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Steuerschaltung (20) gemäß den Konfigurationsdaten (40) das Aufteilen der Gesamtheizleistung (32) und/oder das Ansteuern der Schaltelemente (33) in Abhängigkeit von einer jeweiligen Betriebshistorie, welche ein Alter und/oder Betriebsstunden und/oder eine umgesetzte Gesamtenergie des jeweiligen Heizkreises (31) angibt, erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Konfigurationsdaten (40) für unterschiedliche mögliche Betriebssituationen, die für den Durchlauferhitzer (14) in dem Fahrzeug (10) dauerhaft und/oder aktuell vorgesehen sind, für einen oder einige oder alle der Heizkreise (31) unterschiedliche Anteile der jeweiligen Heizleistung an der Gesamtheizleistung (32) und/oder Leistungsobergrenzen vorgegeben werden und durch die Steuerschaltung (20) Situationsdaten (23), welche die tatsächliche Betriebssituation signalisieren, ermittelt werden und das Ansteuern gemäß zugehörigen Konfigurationsdaten (40) durchgeführt wird, und/oder wobei die Konfigurationsdaten ein Codierflag erhalten, durch welches gesteuert wird, das die Aufteilung nur abhängig von einer Logik aus Fahrzeugparametern, insbesondere Länderausführung, Ziel-Markt, Materialvariante der Heizplatten und/oder ob es sich um ein dezidiertes Kaltlandfahrzeug handelt, aktiviert wird. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Situationsdaten (23) aus einem Kommunikationsbordnetz, mit welchem die Steuerschaltung (14) gekoppelt ist, und/oder mittels einer Sensorschaltung (24) des Durchlauferhitzers (14) ermittelt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Steuerschaltung (20) nach einer Verwendung der Konfigurationsdaten (40) anschließend in einem Wartungsmodus neue Konfigurationsdaten empfangen werden und die Konfigurationsdaten (40) durch die empfangenen neuen Konfigurationsdaten vollständig oder teilweise ersetzt und/oder ergänzt werden. Elektrischer Durchlauferhitzer (14), aufweisend mehrere elektrische Heizkreisläufe (15), von denen jeder über ein jeweiliges steuerbares elektrisches Schaltelement (33) mit einer Anschlusseinrichtung (18) zur elektrischen Energieversorgung des jeweiligen Heizkreislaufs (15) verschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerschaltung (20) des Durchlauferhitzers (14) zur Leistungssteuerung der durch die Schaltelemente (33) in dem jeweiligen Heizkreislauf (15) umgesetzten elektrischen Leistung bereitgestellt ist und die Steuerschaltung (20) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen. Fahrzeug (10), insbesondere Elektrofahrzeug (10), mit einem elektrischen Durchlauferhitzer (14) nach Anspruch 14.
PCT/EP2023/078050 2022-11-09 2023-10-10 Elektrischer durchlauferhitzer für ein fahrzeug, insbesondere elektrofahrzeug, betriebsverfahren für den durchlauferhitzer und fahrzeug Ceased WO2024099665A1 (de)

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