[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aus mehreren Heizelementen
bestehenden mehrstufigen elektrischen Heizung.
[0002] Eine mehrstufige elektrische Heizung, beispielsweise eine Zuheizung mit positivem
Widerstandstemperaturkoeffizienten PTC, besteht aus mehreren Einzelelementen, die
oft auch als Heizstäbe bezeichnet werden und elektrisch parallel geschaltet sind.
Jedes Heizelement kann seinerseits aus mehreren Unterelementen, das heißt einzelnen
PCT-Steinen bestehen.
[0003] Jedes einzelne Heizelement kann über einen beispielsweise elektronisch ausgebildeten
Schalter ein- oder ausgeschaltet werden. Die in einem Heizelement umgesetzte Leistung
P
H, das heißt die zugeführte elektrische Leistung, die gleich der abgegebenen thermischen
Leistung ist, ist bei vorgegebener Betriebsspannung U
B vom elektrischen Widerstand R
H des Heizelementes am Betriebspunkt abhängig:
[0004] Der elektrische Widerstand R
H der Heizelemente ist fertigungsbedingt jedoch großen Streuungen unterworfen. Damit
streut in gleichem Maße auch die von den Heizelementen jeweils abgegebene Leistung.
Um der Forderung beispielsweise der Klimaanlage-Hersteller nach einer definierten
Leistung zu einem gegebenen Betriebspunkt zu genügen, sind daher aufwendige Maßnahmen,
zum Beispiel Abgleichen oder Sortieren, erforderlich, um den für den Betriebspunkt
erforderlichen elektrischen Widerstand R
H der einzelnen Heizelemente einzuhalten.
[0005] Eine aus mehreren Heizelementen zusammengesetzte Heizung kann zwar der Forderung
nach einer definierten Gesamtleistung genügen, die Heizleistung der einzelnen Heizelemente
kann dabei jedoch verschieden sein. Das führt aufgrund der in der Regel über eine
größere Fläche abgegebenen Wärmeleistung zu einer Temperaturschichtung des aus der
Heizung austretenden Luftstromes. Die erwärmte Luft weist über die Austrittsfläche
merkliche Temperaturunterschiede auf. Das ist beispielsweise bei Heiz- beziehungsweise
Klimaanlagen unerwünscht, da es zu Unregelmäßigkeiten in der Temperierung des beheizten
Raumes beispielsweise eines Fahrzeuginnenraumes führt. Daraus ergibt sich, dass alle
einzelnen Heizelemente einer Heizung die gleiche Leistung umsetzen, beziehungsweise
abgeben sollten.
[0006] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, durch das gewährleistet ist, dass auch dann, wenn die einzelnen
Heizelemente streuende Widerstandswerte haben, alle Heizelemente die gleiche Leistung
umsetzen beziehungsweise abgeben.
[0007] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass ausgehend von einem maximalen
elektrischen Widerstand der einzelnen Heizelemente, bei dem die volle anliegende Betriebsspannung
die für den Betrieb geforderte Nennleistung der einzelnen Heizelemente ergibt, die
Spannung an den einzelnen Heizelementen separat auf die geforderte Nennleistung herunter
geregelt wird.
[0008] Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren im einzelnen anhand eines besonders
bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben.
[0009] Die in einer elektrischen mehrstufigen Heizung und damit in jedem Heizelement umgesetzte
Leistung wird durch Regeln der elektrischen Leistungsaufnahme auf einem Vorgabewert
P
Hsoll gehalten. Bei einer n-stufigen Heizung wird somit jedes Heizelement auf einem vorgebenen
Wert P
Hsoll/n gehalten. Dieser Vorgabewert kann veränderlich sein, so dass die Leistungsabgabe
der Heizung einstellbar ist.
[0010] Jedes einzelne Heizelement wird individuell geregelt, so dass die Dimensionierung
der einzelnen Heizelemente hierdurch wesentlich vereinfacht wird. Es muß nur noch
gewährleistet werden, dass durch die Streuung des elektrischen Widerstandes R
H der einzelnen Heizelemente ein Wert R
Hmax nicht überschritten wird. Bei diesem angenommenen Maximalwert des Widerstandes erreicht
ein Heizelement gerade seine am Betriebspunkt geforderten Nennleistung, wenn die volle
Betriebsspannung U
B anliegt:
[0011] Liegt der Widerstand R
H eines einzelnen Heizelementes unter dem Wert R
Hmax, wird die Spannung am Heizelement beispielsweise durch Takten der Betriebsspannung,
insbesondere durch Pulsweitenmodulation und dadurch die Leistungsaufnahme des Heizelementes
auf den geforderten Wert P
H reduziert. Die Leistungsaufnahme des Heizelementes wird durch Messen der anliegenden
Spannung und des aufgenommenen Stromes ermittelt.
[0012] Ein weiterer Vorteil dieser Regelung der einzelnen Heizelemente auf die geforderte
Nennleistung besteht darin, dass nicht nur die Streuungen des Widerstandes R
H der Heizelemente ausgeglichen werden können, sondern dass auch Schwankungen der Betriebsspannung
U
B ausgeregelt werden können, so lange diese Spannung U
B nicht unter einen Minimalwert U
Bmin absinkt. Hierfür gilt:
[0013] Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass trotz der Streuungen des Widerstandswertes
der Heizelemente die am Betriebspunkt geforderte Nennleistung eingehalten werden kann,
der austretende Luftstrom überall die gleiche Temperatur hat, das heißt keine Temperaturschichtungen
auftreten, und der Sortieraufwand der Heizelemente hinsichtlich ihres elektrischen
Widerstandes erheblich reduziert wird, was den Ausschuß stark vermindert oder sogar
vermeidet. Je nach Streubereich kann das Sortieren sogar vollständig entfallen. Aussortierte
einzelne Heizelemente können im übrigen in Heizungen mit anderen Nennleistungen verwendet
werden.
