ELEKTRISCHER HEIZER UND VERFAHREN ZUM ERKENNEN EINER ÜBERHITZUNG EINES SOLCHEN ELEKTRISCHEN HEIZERS

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Heizer und ein Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines solchen elektrischen Heizers.

[0002] Derartige Heizer können beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Aufheizung (Erwärmung) der Raumluft in der Fahrgastzelle und zur Erwärmung der Batterie, zur Vorheizung des Kühlwassers von wassergekühlten Motoren, zum Vorglühen der Zündkerzen bei selbstzünden Brennkraftmaschinen, zur Erwärmung von Kraftstoff, zum Auftauen von Betriebsflüssigkeiten wie Scheiben- oder Scheinwerferreinigungsflüssigkeit und der Harnstofflösung eines SCR-Katalysators etc. eingesetzt werden. Ferner können derartige Heizungen in sogenannter Weißer Ware wie beispielsweise einem Wäschetrockner oder einer Waschmaschine eingesetzt werden.

[0003] Insbesondere in modernen Fahrzeugen, wie beispielsweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Brennstoffzellenfahrzeugen, welche in ihrem Bordnetz hohe elektrische Spannungen verwenden, müssen Heizkreisläufe aufgrund fehlender oder nur temporär verfügbarer Wärmequellen, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, erwärmt werden. Typischerweise handelt es sich bei den Heizkreisläufen um Wasserkreisläufe bzw. ein Wasserum laufsystem.

[0004] Da die Motorwärme bei derartigen modernen Fahrzeugen nicht oder nur begrenzt als ein Wärmelieferant zur Verfügung steht, werden typischerweise elektrische Heizer eingesetzt, welche einen PTC-Widerstandsdraht als Heizelement aufweisen (siehe beispielsweise die DE 10 2014 108 074 A1 oder die DE 10 2014 214 690 A1). Das Anlaufverhalten von PTC-Widerstandsdrähten bei niedrigen Temperaturen kennzeichnet sich jedoch oftmals durch unerwünschte hohe Stromspitzen aus, die um einen Faktor von 3,5 über dem der Temperatur gemäß Kennlinie zugehörigen Wert liegen können. Ferner liegt der maximal zulässige Arbeitspunkt in der Regel bei 600°C, sodass der durchschnittliche Arbeitspunkt etwa 400°C nicht überschreiten sollte, um die Lebensdauer des PTC-Widerstandsdrahtes nicht übermäßig zu verkürzen. Auch können in der Regel nur Heizdrähte aus speziellem Material (wie z.B. Nifethal^®, einer Nickel-EisenLegierung) als PTC-Widerstandsdrähte eingesetzt werden.

[0005] Zum Steuern bzw. Regeln der von dem jeweiligen Heizelement erzeugten Wärmeleistung ist bei den bekannten Heizvorrichtungen eine Steuereinrichtung vorgesehen, bei der es sich z.B. um eine Pulsweitenmodulations-(PWM-) Schaltung handeln kann. Beispielsweise ist eine PWM-Ansteuerschaltung für Heizelemente aus WO 2017 / 140 783 A1 bekannt.

[0006] Eine weitere solche PWM-Schaltung mit zwei Schalteeinrichtungen zum Ansteuern eines Heizelements ist aus der WO 2011 / 086 184 A1 bekannt. Zum Ermitteln eines Defekts in einer der beiden Schalteinrichtungen wird die timergesteuerte Durchführung einer Prüfroutine vorgeschlagen, bei der die beiden Schalteinrichtungen wechselweise angesteuert werden. Wird bei Ansteuerung einer der beiden Schalteinrichtungen weiterhin ein Strom erfasst, kann von einem Kurzschlussfehler in der anderen Schalteinrichtunge ausgegangen werden. Ferner wird zum Erfassen eines Kurzschlusses in dem durch die Schalteinrichtungen angesteuerten Heizelement eine Überstrom-Erfassungsschaltung vorgeschlagen, die einen Stromfluss durch das Heizelement in Falle eines Defekts, insbesondere eines Kurzschlusses, des Heizelementes unterbricht.

[0007] Ausgehend von WO 2011 / 086 184 A1 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Heizer mit einer hohen Lebensdauer bereitzustellen, welcher eine hohe funktionale Sicherheit bietet und bei welchem insbesondere unerwünschtes Anlaufverhalten vermieden bzw. reduziert ist, wobei insbesondere ein schaltungstechnischer Aufwand zur Erkennung einer Überhitzung des Heizers bzw. dessen Heizelement verringert werden soll. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines derartigen elektrischen Heizers bereitzustellen.

[0008] Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Heizer zum Erwärmen von Fluidströmen und ein Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines solchen elektrischen Heizers mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

[0009] Der erfindungsgemäße Heizer zum Erwärmen von Fluidströmen, insbesondere von Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser oder Wasser-Glykol-Mischungen, weist ein Heizelement, eine Steuereinrichtung in Form einer Pulsweitenmodulations-(PWM-) Schaltung zum Steuern einer von dem Heizelement erzeugten Wärmeleistung und eine Überhitzungserkennungseinrichtung auf. Das Heizelement hat eine Induktivität, welche sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Vorzugsweise nimmt die Induktivität bis zu einer Grenztemperatur zu. Die Überhitzungserkennungseinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie einen Spitzenwert des durch das Heizelement fließenden Stroms ermittelt, diesen Spitzenwert mit einem vorab definierten/festgelegten Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten des Grenzwerts durch den Spitzenwert der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms eine Überhitzung des elektrischen Heizers bzw. von dessen Heizelement feststellen kann. Eine Überhitzung kann insbesondere dann auftreten, wenn der elektrische Heizer trockenläuft, d.h. zum Beispiel in einem Fehlerfall nicht von dem Fluid umströmt wird. Durch das Erkennen einer Überhitzung kann somit auch ein Trockenlauf erkannt werden.

[0010] Unter einer Erfassung des durch das Heizelement fließenden Stroms sei auch das Erfassen einer physikalischen Größe verstanden, aus welcher dieser Strom bzw. dessen Ableitung herleitbar sind, insbesondere einer physikalischen Größe, welche zu dem Strom bzw. dessen Ableitung proportional ist. Wird der durch das Heizelement fließende Strom beispielsweise mittels eines zu dem Heizelement in Reihe geschalteten Shunt-Widerstandes gemessen, so handelt es sich bei der physikalischen Größe um die über dem Shunt-Widerstand abfallende Spannung, die proportional zu dem durch das Heizelement fließenden Strom ist.

[0011] Es kann mehr als ein Heizelement vorgesehen sein, und die Steuereinrichtung kann zur Steuerung der von mehr als einem Heizelement erzeugten Wärmeleistung ausgestaltet sein. Entsprechend kann die Überhitzungserkennungseinrichtung ausgestaltet sein, Ableitungen der durch die mehreren Heizelemente fließenden Ströme zu ermitteln und diese, wie oben für ein Heizelement erläutert, durch Grenzwertvergleich bezüglich einer Überhitzung auszuwerten.

[0012] Zusätzlich zu der sich mit der Temperatur ändernden Induktivität kann das Heizelement einen Widerstand aufweisen, der sich ebenfalls mit der Temperatur ändern kann.

[0013] Das Heizelement umfasst vorzugsweise ein Material, dessen relative Permeabilität bis zu einer Grenztemperatur zunimmt. Die Zunahme der relativen Permeabilität des Heizelements mit steigender Temperatur hat eine Zunahme der Induktivität des Heizelements mit steigender Temperatur zur Folge. Bevorzugt besteht das Heizelement aus einem solchen Material.

[0014] Besonders bevorzugt umfasst das Heizelement ein ferromagnetisches Material. Ferromagnetisches Material zeichnet sich durch eine besonders hohe relative Permeabilität von µr >> 1 aus. Vorzugsweise besteht das Heizelement aus einem solchen ferromagnetischen Material. Als ferromagnetisches Material kommen zum Beispiel Eisen, Nickel und/oder Cobalt in Frage. Ebenso sind Legierungen, welche Eisen, Nickel und/oder Cobalt umfassen, mit einer relativen Permeabilität von µr >> 1 geeignet. Insbesondere kann eine Legierung aus Eisen, Chrom und Aluminium eingesetzt werden.

[0015] Der erfindungsgemäße elektrische Heizer ist vorzugsweise als Rohrheizkörper ausgestaltet, welcher das Heizelement umfasst. Das Heizelement ist vorzugsweise als Heizdraht ausgebildet. Bei Heizdrähten aus den oben genannten Materialen, insbesondere aus Legierungen aus Eisen, Chrom und Aluminium, handelt es sich vorteilhafterweise um Standardheizdrähte, welche frei auf dem Markt erhältlich sind.

[0016] Heizelemente aus den oben genannten Materialien weisen vorteilhafterweise im Wesentlichen kein unerwünschtes Anlaufverhalten, d.h. keine unerwünschten Stromspitzen beim Anlaufen/Erwärmen aus dem kalten Zustand auf. Wird der erfindungsgemäße Heizer beispielsweise mit einer Spannung aus einem Bordnetz eines Fahrzeugs versorgt, kann daher eine Bordnetzwelligkeit beim Anlaufen des elektrischen Heizers im Vergleich zu PTC-Widerstandsheizdrähte verwendenden Heizern reduziert und somit verbessert werden. Ferner können höhere Arbeitspunkte als bei dem Einsatz von PTC-Widerstandheizdrähten erzielt werden. So kann beispielsweise bei einem Einsatz von einem Heizdraht aus einer Legierung aus Eisen, Chrom und Aluminium als Heizelement ein maximaler Arbeitspunkt von 1350°C erzielt werden, was zu einer höheren Leistungsdichte und einer längeren Lebensdauer führt. Weiter kennzeichnen sich Heizelemente aus den genannten Materialen durch eine minimale thermische Kapazität und Trägheit aus, was eine schnelle Erkennung einer Überhitzung ermöglicht.

[0017] Durch die Überhitzungserkennungseinrichtung des erfindungsgemäßen elektrischen Heizers kann die funktionale Sicherheit des elektrischen Heizers sichergestellt werden. Durch Vergleich mit einem vorab definierten/festgelegten Grenzwert ermittelt die Überhitzungserkennungseinrichtung, ob der durch die temperaturbedingte Änderung der Induktivität hervorgerufene Spitzenwert der Ableitung des Stroms des Heizelements einen zulässigen Wert überschreitet, sodass eine Überhitzung des elektrischen Heizers erkannt wird und entsprechende Maßnahmen wie ein Abschalten des elektrischen Heizers eingeleitet werden können.

[0018] Vorteilhafterweise entspricht bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Heizer das Sensorelement dem Heizelement. D.h. das Heizelement wird nicht nur zum Erwärmen eingesetzt, sondern auch zum Erkennen einer Überhitzung. Ein Bauteil, nämlich das Heizelement, kann somit für zwei unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden.

[0019] Die Überhitzungserkennungseinrichtung des erfindungsgemäßen elektrischen Heizers umfasst vorzugsweise eine Strommesseinrichtung zum Messen des durch das Heizelement fließenden Stroms, einen Differenzierer zur Ermittlung einer Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms, einen Spitzenwertdetektor zum Ermitteln eines Spitzenwertes der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms und eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Spitzenwerts der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms mit dem vorab definierten Grenzwert. Die Überhitzungserkennungseinrichtung ist ferner vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie beim Erkennen einer Überhitzung den elektrischen Heizer abschaltet oder eine Abschaltung einleitet. Hierzu kann die Vergleichseinrichtung ein Signal an die Steuereinrichtung des elektrischen Heizers senden, welches die Steuereinrichtung veranlasst, den elektrischen Heizer abzuschalten. Wie oben beschrieben wird unter dem durch das Heizelement fließenden Strom auch eine physikalische Größe verstanden, von welcher dieser Strom herleitbar ist, insbesondere eine zu diesem Strom proportionale physikalische Größe wie beispielsweise eine über einem zu dem Heizelement in Reihe geschalteten Shunt-Widerstand abfallende Spannung. Die Überhitzungserkennungseinrichtung kann außerdem einen Verstärker umfassen.

[0020] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines elektrischen Heizers gemäß der Erfindung wird eine von einer Änderung der Induktivität des Heizelements verursachte Änderung des Spitzenwertes der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms ermittelt, der Spitzenwert der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms mit einem vorab definierten Grenzwert verglichen und bei Überschreiten des vorab definierten Grenzwerts eine Überhitzung festgestellt. Vorzugsweise wird bei Feststellen einer Überhitzung der elektrische Heizer über dessen Steuereinrichtung ausgeschaltet.

[0021] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise der durch das Heizelement fließende Strom gemessen, dessen Ableitung gebildet, , der Spitzenwert der Ableitung des durch das Heizelement fließenden Stroms ermittelt und der ermittelte Spitzenwert mit dem vorab definierten Grenzwert verglichen. Wie oben erläutert, wird unter dem durch das Heizelement fließenden Strom auch eine physikalische Größe verstanden, von welcher dieser Strom herleitbar ist.

[0022] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Fig. 1 einen beispielhaften Verlauf einer Induktivität eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizers bzw. von dessen Heizelement in Abhängigkeit von der Temperatur,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizers,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Überhitzungserkennungseinrichtung eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizers (Fig. 3a)), schematische Kurvenverläufe der in der Überhitzungserkennungseinrichtung auftretenden physikalischen Größen über der Zeit im Falle einer Überhitzung (Fig. 3b)) und schematische Kurvenverläufe der gleichen in der Überhitzungserkennungseinrichtung auftretenden physikalischen Größen wie in Fig. 3b) im Normalzustand (Fig. 3c)) und

Fig. 4 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen einer Überhitzung eines elektrischen Heizers gemäß der Erfindung.

[0023] In den Figuren angegebene Maßangaben sind rein beispielhafter Natur.

[0024] Der erfindungsgemäße elektrische Heizer 1, wie er in der weiter unten beschriebenen Figur 2 dargestellt ist, ist vorzugsweise als Wasserheizer ausgestaltet, wie er z.B. in dem Umlauf eines Betriebsfluids, beispielsweise von Kühlwasser, in einem Fahrzeug vorgesehen ist. Der elektrische Heizer 1 ist hierfür vorzugsweise als Rohrheizkörper (RHK) oder zylinderförmiger Heizkörper mit einem drahtförmigen Heizelement 2 (vgl. Figur 2) ausgebildet. Ein entsprechender Wasserheizer ist beispielsweise aus der DE 10 2010 060 446 A1 der Anmelderin bekannt, sodass im Hinblick auf den konkreten Aufbau des Wasserheizers auf die Ausführungen in dieser Druckschrift verwiesen werden kann. Für das Verständnis der vorliegenden Erfindung spielt jedoch der konkrete Aufbau nur eine untergeordnete Rolle, da unterschiedliche Heizertypen gemäß der Erfindung ausgestaltet und betrieben werden können.

[0025] Der elektrische Heizer 1 wird vorzugsweise aus einem Bordnetz eines Fahrzeugs mit Spannung versorgt, wobei es sich bei der Bordnetzspannung insbesondere um eine in einem Fahrzeug eingesetzte Hochvoltspannung handelt, die typischerweise zwischen ca. 120 V und ca. 450 V liegt. Das Heizelement 2 (und somit der elektrische Heizer 1) hat eine Induktivität L (auch Induktivität L_RHK genannt), die mit steigender Temperatur zunimmt.

[0026] Figur 1 zeigt einen beispielhaften Verlauf einer temperaturabhängigen Induktivität des als Rohrheizkörper ausgestalteten elektrischen Heizers 1 über der Temperatur. Wie in Figur 1 dargestellt, nimmt die Induktivität bis zu einer Grenztemperatur zu. Der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen elektrischen Heizers 1 liegt unterhalb dieser Grenztemperatur von dessen Heizelement 2.

[0027] Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des elektrischen Heizers 1 gemäß der Erfindung. Der elektrische Heizer 1 weist ein Heizelement 2 auf, welches eine Induktivität L_RHK und einen Widerstand R_RHK in Reihenschaltung hat. Die Induktivität L_RHK ist temperaturabhängig und steigt mit Zunahme der Temperatur an. Hierfür ist das Heizelement 2 vorzugsweise aus ferromagnetischem Material mit einer relativen Permeabilität µr >> 1.

[0028] Das Heizelement 2 ist mit einem Anschluss an ein Versorgungsspannung U_HV, z.B. eine Spannung eines Bordnetzes oder einer Batterie eines Fahrzeugs, und mit dem anderen Anschluss über einen Schalter SW1 an Masse (in Figur 2: Bezugspotential "0") angeschlossen. Der Reihenschaltung aus Induktivität L_RHK und Widerstand R_RHK ist vorzugsweise eine Diode D1 parallel geschaltet, die als Freilaufdiode dient. Die Kathode der Diode D1 ist dabei an die Versorgungsspannung U_HV angeschlossen.

[0029] Der Schalter SW1 ist beispielsweise als Transistorschaltung ausgebildet, und dessen Zustand wird über die Steuereinrichtung 3 gesteuert. Der Schalter SW1 kann Teil der Steuereinrichtung 3 sein. Ist der Schalter SW1 im geschlossenen Zustand, so fließt Strom (Heizstrom I_Heiz) durch das Heizelement 2 und das Heizelement 2 erzeugt Wärme. Ist der Schalter SW1 im offenen Zustand, so fließt kein Strom durch das Heizelement 2. Über das Verhältnis zwischen der Zeitdauer des geschlossenen Zustands des Schalters SW1 und der Zeitdauer des offenen Zustands des Schalters SW1 kann somit die von dem Heizelement 2 erzeugte Wärmeleistung durch die Steuereinrichtung 3 gesteuert werden. Die Steuereinrichtung 3 ist dementsprechend als Leistungselektronik in Form einer Pulsweitenmodulations-(PWM-)Schaltung ausgebildet, welche bei vorzugsweise konstanter Frequenz bzw. Periodendauer den Tastgrad eines Rechteckpulses, d.h. die Breite der den Rechteckpuls bildenden Pulse steuert, wobei der Rechteckpuls das Eingangs- und Steuersignal für den Schalter SW1 bildet.

[0030] Der erfindungsgemäße elektrische Heizer 1 umfasst ferner eine Überhitzungserkennungseinrichtung 4 zum Erkennen einer Überhitzung des elektrischen Heizers 1 bzw. von dessen Heizelement 2 (siehe Figuren 2 und 3a). Die Überhitzungserkennungseinrichtung 4 umfasst vorzugsweise eine Strommesseinrichtung 5, einen Differenzierer 6, einen Spitzenwertdetektor 8 und eine Vergleichseinrichtung 9. Ferner kann ein Verstärker 7 vorgesehen sein, der bevorzugt zwischen den Differenzierer 6 und den Spitzenwertdetektor 8 geschaltet ist.

[0031] Die Strommesseinrichtung 5 misst einen durch das Heizelement 2 fließenden Strom. Die Strommesseinrichtung 5 ist vorzugsweise durch einen Shunt-Widerstand R_Shunt (R_Shunt in Figur 3a)) gebildet, welcher in Reihe mit dem Heizelement 2 geschaltet ist und zwischen dem Schalter SW1 und der Masse 0 angeschlossen ist. Der durch den Shunt-Widerstand R_Shunt fließende Strom verursacht an diesem einen Spannungsabfall (Spannung U_Shunt in Figur 3), welcher proportional zu dem durch das Heizelement 2 fließenden Strom ist. D.h. die an dem Shunt-Widerstand R_Shunt abfallende Spannung U_Shunt ist proportional zu dem durch das Heizelement 2 fließenden Strom I_Heiz. Ändert sich temperaturbedingt die Induktivität L_RHK des Heizelements 2, so ändert sich entsprechend der durch das Heizelement 2 fließenden Strom I_Heiz und somit die über dem Shunt-Widerstand R_Shunt abfallende Spannung U_Shunt.

[0032] Bei einem pulsweitenmodulierten Stromfluss durch das Heizelement 2 ist die Flankensteilheit der Strompulse des Stroms I_Heiz von der Größe der Induktivität L_RHK des Heizelements 2 abhängig, welche wiederum von der Temperatur abhängig ist. Entsprechend ist die Flankensteilheit der von der Strommesseinrichtung 5 erfassten Pulse der Spannung U_Shunt von der Größe der Induktivität L_RHK des Heizelements 2 abhängig, da die Spannung U_Shunt proportional zu dem durch das Heizelement 2 fließenden Strom I_Heiz ist. Wird der erfindungsgemäße Heizer 1 mit einer Wechselspannung versorgt, wie beispielsweise bei einer Verwendung in sogenannter Weißer Ware, so kann als Strommesseinrichtung 5 eine Messbrückenschaltung vorgesehen sein, welche den Phasenunterschied oder den Nulldurchgang des Stroms durch das Heizelement misst.

[0033] Da im Fehlerfall bei einer Überhitzung die Induktivität L_RHK des Heizelements 2 niedriger als im Normalfall ohne Überhitzung ist, ist dementsprechend die Flankensteilheit des Stroms I_Heiz bzw. der Spannung U_Shunt im Fehlerfall einer Überhitzung höher als im Normalfall, wie in Figuren 3b) und 3c) dargestellt.

[0034] Der Strommesseinrichtung 5 nachgeschaltet weist die Überhitzungserkennungseinrichtung 4 einen Differenzierer 6 auf. Der Differenzierer 6 ermittelt die Änderung des Stroms I_Heiz bzw. der Spannung U_Shunt, welche insbesondere aus einer temperaturabhängigen Änderung der Induktivität L_RHK des Heizelements 2 folgt. Der Differenzierer 6 bildet dazu die Ableitung der Spannung U_Shunt, welche proportional zu der Ableitung des Stroms I_Heiz ist und welche in Figur 3 als U_Diff bezeichnet ist. Der Differenzierer 6 kann beispielsweise als Hochpassschaltung mit einem Kondensator C1 und einem Widerstand R1 ausgebildet sein, wobei ein Anschluss des Kondensators C1 an einen nicht näher bezeichneten Knotenpunkt zwischen dem Schalter SW1 und dem Shunt-Widerstand R_Shunt und der andere Anschluss des Kondensators C1 an den Widerstand R1 angeschlossen ist, welcher wiederum mit dessen anderem Anschluss an Masse angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung U_Diff des Differenzierers 6 ist wegen der höheren Flankensteilheit der Spannung U_Shunt im Fehlerfall einer Überhitzung betragsmäßig höher als im Normalfall (siehe Figuren 3b) und 3c)).

[0035] Insbesondere um eine bessere Signalauflösung zu erreichen, ist dem Differenzierer ein Verstärker 7 nachgeschaltet, welcher durch einen Operationsverstärker 10 realisiert sein kann, der mit einer Versorgungsspannung VCC betrieben wird. Der Operationsverstärker 10 ist vorzugsweise als nichtinvertierender Verstärker ausgebildet, an dessen nichtinvertierendem Eingang die Ausgangsgröße des Differenzierers 6, d.h. die Spannung U_Diff, anliegt. An den Ausgang des Operationsverstärkers 10 ist ein Spannungsteiler mit den in Reihe geschalteten Widerständen R2 und R3 angeschlossen, wobei der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 10 zwischen den Widerständen R2 und R3 angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung Uverst (U1A in Figur 2) des Operationsverstärkers 10 (und des Verstärkers 7) entspricht der verstärkten Ausgangsspannung U_Diff des Differenzierers 6, wobei die Ausgangsspannung U_Verst des Verstärkers 7 im Fehlerfall einer Überhitzung betragsmäßig höher ist als im Normalfall (siehe Figuren 3b) und 3c)). Der Verstärker 7 kann derart ausgestaltet sein, dass er als Ausgangsspannung Uverst nur den positiven Puls einer Periode des Ausgangssignals U_Diff des Differenzierers 6 ausgibt.

[0036] Dem Verstärker 7 ist ein Spitzenwertdetektor 8 nachgeschaltet, welcher die maximale Ableitung, des durch das Heizelement 2 fließenden Stroms I_Heiz während des Betriebs ermittelt. Insbesondere ermittelt der Spitzenwertdetektor 8 den maximalen Wert der Ausgangsspannung U_Verst des Verstärkers 7, d.h. den Spitzenwert der Spannung U_Verst. Der Spitzenwertdetektor 8 hat die Ausgangsspannung U_Verst als Eingangssignal. Der Spitzenwertdetektor 8 weist eine Diode D2 zur Gleichrichtung des Ausgangsspannung U_Verst des Verstärkers 7 auf, wobei die Anode der Diode D2 an den Ausgang des Verstärkers 7 und die Kathode der Diode D1 an einen Anschluss eines Widerstand R4 des Spitzenwertdetektors 8 angeschlossen ist. Der andere Anschluss des Widerstands R4 ist an einen Anschluss eines Kondensators C2 des Spitzenwertdetektors 8 angeschlossen, dessen anderer Anschluss an Masse liegt. Die über dem Kondensator C2 abfallende Spannung U_Spitze entspricht dem Spitzenwert der Spannung Uverst nach einer Periode der Spannung Uverst.

[0037] Für den Fehlerfall einer Überhitzung ist die Ausgangsspannung Uverst des Verstärkers 7 (d.h. die verstärkte Ausgangsspannung U_Diff des Differenzierers 6), welche der verstärkten Flankensteilheit des durch das Heizelement 2 fließenden Stroms I_Heiz entspricht, größer als die Ausgangsspannung U_Verst des Verstärkers 7 im Normalfall. Dementsprechend ist die Ausgangsspannung US_pitze des Spitzenwertdetektors 8 bei einer Überhitzung größer als im Normalfall (siehe Figuren 3b) und 3c)).

[0038] Dem Spitzenwertdetektor 8 ist eine Vergleichseinrichtung 9 nachgeschaltet, die vorzugsweise durch einen Mikrocontroller 11 gebildet wird, welcher einen Arbeits- und Programmspeicher (nicht dargestellt; im Folgenden: Speicher) umfasst. Der Mikrocontroller 11 ist zwischen dem Widerstand R4 und dem Kondensator C2 des Spitzenwertdetektors 8 angeschlossen. In dem Speicher ist ein vorab definierter Grenzwert für eine Überhitzungserkennung hinterlegt, mit welchem die Ausgangsspannung U_Spitze des Spitzenwertdetektors 8 verglichen wird.

[0039] Die Vergleichseinrichtung 9 bzw. deren Mikrocontroller 11 führt dahingehend eine Signalauswertung des Ausgangssignals U_Spitze des Spitzenwertdetektors 8 durch, dass sie die Spitzenwertspannung U_Spitze mit dem vorab definierten Grenzwert (in Figur 3: Fehlerschwelle) vergleicht. Der Vergleich kann durch ein in dem Speicher des Mikrocontrollers 11 hinterlegtes Programm durchgeführt werden. Der Grenzwert ist derart vorab definiert, dass ein Überschreiten des Grenzwerts eine Überhitzung des elektrischen Heizers 1 bzw. von dessen Heizelement 2 bedeutet. Überschreitet der Spitzenwert U_Spitze den vorab definierten Grenzwert, so stellt die Vergleichseinrichtung 9 (und somit die Überhitzungserkennungseinrichtung 4) eine Überhitzung des elektrischen Heizers 1 fest. Liegt der Spitzenwert U_Spitze unter dem Grenzwert oder ist der Spitzenwert U_Spitze gleich dem Grenzwert, so stellt die Vergleichseinrichtung 9 fest, dass sich der elektrische Heizer 1 im Normalzustand befindet und keine Überhitzung vorliegt. Im Falle der Überhitzung steuert die Vergleichseinrichtung 9 bzw. deren Mikrocontroller 11 die Steuereinrichtung 3 des elektrischen Heizers 1 bevorzugt derart an, dass sie den Schalter SW1 öffnet und somit die Stromversorgung des Heizelements 2 unterbricht, um die funktionale Sicherheit sicherzustellen.

[0040] Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen einer Überhitzung eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizers 1, wie er beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist. In Schritt 20 wird der durch das Heizelement 2 fließende Strom I_Heiz bzw. eine physikalische Größe, aus welcher dieser Strom herleitbar ist, wie die Spannung U_Shunt über dem Shunt-Widerstand R_Shunt (auch: R_Shunt) der Strommesseinrichtung 5, mittels der Strommesseinrichtung 5 der Überhitzungserkennungseinrichtung 4 gemessen.

[0041] In dem sich an Schritt 20 anschließenden Schritt 21 wird die Ableitung des Stroms I_Heiz mittels eines Differenzierers 6 der Überhitzungserkennungseinrichtung 4 ermittelt. Im sich anschließenden Schritt 22 wird die ermittelte Ableitung des Stroms I_Heiz durch einen Verstärker 7 der Überhitzungserkennungseinrichtung 4 verstärkt.

[0042] Im folgenden Schritt 23 wird der Spitzenwert der in Schritt 21 ermittelten und in Schritt 22 verstärkten Ableitung des Stroms I_Heiz mittels eines Spitzenwertdetektors 8 der Überhitzungserkennungseinrichtung 4 ermittelt. In Schritt 24 wird der ermittelte Spitzenwert mit dem vorab definierten Grenzwert mit Hilfe der Vergleichseinrichtung 9 der Überhitzungserkennungseinrichtung 4 verglichen. Überschreitet der Spitzenwert den Grenzwert, so stellt die Vergleichseinrichtung 9 bzw. die Überhitzungserkennungseinrichtung 4 in Schritt 24 fest, dass eine Überhitzung des elektrischen Heizers 1 vorliegt.

[0043] Im sich anschließenden Schritt 25 übermittelt die Überhitzungserkennungseinrichtung 4 der Steuereinrichtung 3 des elektrischen Heizers 1, dass eine Überhitzung vorliegt, woraufhin die Steuereinrichtung 3 den Schalter SW1 des elektrischen Heizers 1 öffnet und damit die Stromversorgung des Heizelements 2 unterbricht.

Bezugszeichenliste

[0044] 

1

elektrischer Heizer

2

Heizelement

3

Steuereinrichtung

4

Überhitzungserkennungseinrichtung

5

Messeinrichtung

6

Differenzierer

7

Verstärker

8

Spitzenwertdetektor

9

Vergleichseinrichtung

10

Operationsverstärker

11

Mikrocontroller

20, 21, 22, 23, 24, 25

Verfahrensschritte

C1, C2

Kondensatoren

D1, D2

Dioden

I_Heiz

durch das Heizelement fließender Strom

L_RHK

Induktivität des Heizelements

R1, R2, R3, R4

Widerstände

R_RHK

Widerstand des Heizelements

R_Shunt, R_Shunt

Shunt-Widerstand

SW1

Schalter

t

Zeit

U_HV, VCC

Versorgungsspannungen

U_Shunt

Ausgangsspannung der Messeinrichtung

U_Diff

Ausgangsspannung des Differenzierers

U_Verst

Ausgangsspannung des Verstärkers

U_Spitze

Ausgangsspannung des Spitzenwertdetektor

Ansprüche

1. Elektrischer Heizer zum Erwärmen von Fluidströmen mit einem Heizelement (2) und einer Steuereinrichtung (3) in Form einer Pulsweitenmodulations-(PWM-) Schaltung zum Steuern einer von dem Heizelement (2) erzeugten Wärmeleistung, wobei das Heizelement (2) eine Induktivität (L_RHK) hat, welche sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, so dass sich eine Flankensteilheit von Strompulsen eines durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (I_Heiz) ändert,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Überhitzungserkennungseinrichtung (4) vorgesehen ist, die einen Spitzenwert einer Ableitung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (I_Heiz) ermittelt, diesen Spitzenwert mit einem vorab definierten Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten des Grenzwerts eine Überhitzung des elektrischen Heizers (1) feststellt.

2. Elektrischer Heizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Überhitzungserkennungseinrichtung (4) ausgestaltet ist, dass sie bei Feststellen einer Überhitzung des elektrischen Heizers (1) den elektrischen Heizer (1) ausschaltet.

3. Elektrischer Heizer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Induktivität (L_RHK) des Heizelements (2) bis zu einer Grenztemperatur zunimmt.

4. Elektrischer Heizer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Heizelement (2) ein Material umfasst, dessen relative Permeabilität bis zu einer Grenztemperatur zunimmt.

5. Elektrischer Heizer nach Anspruch 4, wobei das Heizelement (2) ein ferromagnetisches Material umfasst.

6. Elektrischer Heizer nach Anspruch 5, wobei das Heizelement (2) als Material Eisen, Nickel oder Cobalt oder eine Eisen, Nickel und/oder Cobalt aufweisende Legierung umfasst.

7. Elektrischer Heizer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überhitzungserkennungseinrichtung (4) eine Strommesseinrichtung (5), einen Differenzierer (6) zur Ermittlung einer Ableitung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (I_Heiz), einen Spitzenwertdetektor (8) zum Ermitteln eines Spitzenwerts der Ableitung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (I_Heiz) und eine Vergleichseinrichtung (9) zum Vergleichen des Spitzenwerts mit dem vorab definierten Grenzwert umfasst.

8. Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung eines elektrischen Heizers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Messen eines durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (I_Heiz),

- Ermitteln eines Spitzenwerts einer Ableitung des durch das Heizelement (2) fließenden Stroms (I_Heiz),

- Vergleichen des Spitzenwerts mit einem vorab definierten Grenzwert und

- Feststellen einer Überhitzung des elektrischen Heizers (1) bei einem Überschreiten des vorab definierten Grenzwerts.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei
bei Feststellen einer Überhitzung des elektrischen Heizers (1) der elektrische Heizer (1) ausgeschaltet wird.

Claims

1. An electric heater for heating fluid streams, comprising a heating element (2) and a control device (3) in the form of a pulse width modulation (PWM) circuit for controlling a heat output generated by the heating element (2), wherein the heating element (2) has an inductance (L_RHK) which changes depending on the temperature so that an edge steepness of current pulses of a current (I_Heiz) flowing through the heating element (2) changes,
characterized in that
an overheating detection device (4) is provided, which determines a peak value of a derivative of the current (I_Heiz) flowing through the heating element (2), compares this peak value with a previously defined threshold value and, if the threshold value is exceeded, detects overheating of the electric heater (1).

2. The electric heater according to claim 1, characterized in that
the overheating detection device (4) is configured to turn off the electric heater (1) upon determining overheating of the electric heater (1).

3. The electric heater according to claim 1 or 2, wherein the inductance (L_RHK) of the heating element (2) increases up to a threshold temperature.

4. The electric heater according to one of claims 1 to 3, wherein the heating element (2) comprises a material whose relative permeability increases up to a threshold temperature.

5. The electric heater according to claim 4, wherein the heating element (2) comprises a ferromagnetic material.

6. The electric heater according to claim 5, wherein the heating element (2) comprises as material iron, nickel or cobalt or an alloy comprising iron, nickel and/or cobalt.

7. The electric heater according to one of the preceding claims, wherein the overheating detection device (4) comprises a current measuring device (5), a differentiator (6) for determining a derivative of the current (I_Heiz) flowing through the heating element (2), a peak value detector (8) for determining a peak value of the derivative of the current (I_Heiz) flowing through the heating element (2), and a comparison device (9) for comparing the peak value with the predefined threshold value.

8. A method for detecting overheating of an electric heater according to one of the preceding claims, characterized by the following steps:

- measuring a current (I_Heiz) flowing through the heating element (2),

- determining a peak value of a derivative of the current (I_Heiz) flowing through the heating element (2),

- comparing the peak value with a predefined threshold value, and

- determining overheating of the electric heater (1) when exceeding the predefined threshold value.

9. The method according to claim 8, wherein
when determining overheating of the electric heater (1), the electric heater (1) is switched off.

Revendications

1. Chauffage électrique destiné au chauffage de courants fluides avec un élément chauffant (2) et un dispositif de commande (3) sous la forme d'un circuit de commutation de modulation d'impulsions en largeur (PWM) pour commander une puissance thermique produite par l'élément chauffant (2), dans lequel l'élément chauffant (2) présente une inductance (L_RHK), laquelle varie en fonction de la température, de sorte qu'une pente de flanc d'impulsions de courant modifie un courant circulant (I_Heiz) à travers l'élément chauffant (2),
caractérisé en ce qu'
un dispositif de détection de surchauffe (4) est prévu, qui détermine une valeur maximale d'une dérivation du courant circulant (I_Heiz) à travers l'élément chauffant (2), compare ladite valeur maximale à une valeur seuil préalablement définie et détecte lors du dépassement de la valeur seuil une surchauffe du chauffage électrique (1).

2. Chauffage électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que
le dispositif de détection de surchauffe (4) est conçu pour éteindre le chauffage électrique (1) lors de la détection d'une surchauffe du chauffage électrique (1).

3. Chauffage électrique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'inductance (L_RHK) de l'élément chauffant (2) augmente jusqu'à une température seuil.

4. Chauffage électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'élément chauffant (2) comprend un matériau, dont la perméabilité relative augmente jusqu'à une température seuil.

5. Chauffage électrique selon la revendication 4, dans lequel l'élément chauffant (2) comprend un matériau ferromagnétique.

6. Chauffage électrique selon la revendication 5, dans lequel l'élément chauffant (2) comprend comme matériau du fer, du nickel ou du cobalt ou un alliage contenant du fer, du nickel et/ou du cobalt.

7. Chauffage électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de détection de surchauffe (4) comprend un dispositif de mesure de courant (5), un différentiateur (6) pour la détermination d'une dérivation du courant circulant (I_Heiz) à travers l'élément chauffant (2), un détecteur de valeur maximale (8) pour la détermination d'une valeur maximale de la dérivation du courant circulant (I_Heiz) à travers l'élément chauffant (2) et un dispositif de comparaison (9) pour la comparaison de la valeur maximale à une valeur seuil préalablement définie.

8. Procédé de détection d'une surchauffe d'un chauffage électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par les étapes suivantes :

- la mesure d'un courant circulant (I_Heiz) à travers l'élément chauffant (2),

- la détermination d'une valeur maximale d'une dérivation du courant circulant (I_Heiz) à travers l'élément chauffant (2),

- la comparaison de la valeur maximale à une valeur seuil préalablement définie et

- la détection d'une surchauffe du chauffage électrique (1) lors d'un dépassement de la valeur seuil préalablement définie.

9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel
le chauffage électrique (1) est éteint lors de la détection d'une surchauffe du chauffage électrique (1).

Zeichnung