Elektrische Heizung sowie Verfahren zur Regelung einer elektrischen Heizung

Abstract

 Es wird eine elektrische Heizung mit wenigstens zwei elektrischen Heizwiderständen vorgeschlagen, deren Heizleistung durch kombinierte Verschaltung kaskadierbar ist, wobei eine Regeleinrichtung einen der Anzahl an Heizwiderständen entsprechenden Regler aufweist, die jeweils einem Heizwiderstand zugeordnet sind, wobei die Regeleinrichtung jeden Regler getrennt mit einem getakteten pulsförmigen Strom versorgt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Heizung sowie einem Verfahren zur Regelung einer elektrischen Heizung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

[0002] Heizgeräte für Kraftfahrzeuge bei dem als Wärmequellen die von einem Leistungshalbleiter erzeugte Wärme verwendet werden sind aus dem Stand der Technik bekannt. So wird in der WO 99/07185 eine elektrische Heizung für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei der als Wärmequelle die von Leistungshalbleitern erzeugte Wärme verwendet wird. Diese abgegebene Wärme wird direkt zum Heizen verwendet. Die Leistungshalbleiter werden über Regelschaltungen geregelt, um die Heizleistung kontinuierlich einstellen zu können. Die Wärme liefernden Leistungshalbleiter sind dabei entweder parallel geschaltet oder mehrere Stromzweige mit jeweils zwei in Reihe geschalteten und im Hochleistungsverlustbetrieb betriebenen Leistungshalbleiter parallel geschaltet. Die Regelung der Heizleistung wird nach diesem Stand der Technik einfach dadurch möglich, dass die Leistungshalbleiter mittels eines gemeinsam vorgebbaren Sollwertes und mittels von den Leistungshalbleitern abgeleiteten Istwerten in der abgegebenen Leistung individuell regelbar sind. Für diese individuelle Regelung wird eine komplexe Regelungsschaltung benötigt.

[0003] Ebenfalls aus dem Stand der Technik ist es bekannt die Heizungen als mehrstufige Systeme mit mehrere Heizwiderständen auszuführen. Die einzelnen Heizstufen sind dabei in einem flächigen Aufbau in räumlich getrennten Streifen, die jeweils einem Heizwiderstand entsprechen, angeordnet. Die Steuerung der Heizleistung wird durch Zuschalten beziehungsweise Abschalten der einzelnen Stufen realisiert. Dabei wird jede Stufe über ein Schaltmittel geschaltet. Die Regelung eines solchen Heizsystems erfolgt in diesem Fall durch Kombination der Stufen und deren Ein-/Ausschallzustände. Durch die Schaltung der diskreten Heizstufen wird die Heizung nicht über die gesamte Fläche gleichmäßig erwärmt. Die zu erwärmende Luft, die die Heizelemente durchströmt, weißt kein homogenes Temperaturprofil auf. Wird die durchströmende Luft nach dem Durchströmen der Heizelemente nicht ausreichend gemischt oder sind einzelne Heizstufen den Luftkanälen zur Beheizung einzelner Fahrzeugbereiche zugeordnet, so kann es dazu führen, dass in einem Kraftfahrzeug ein Bereich der Fahrgastzelle geheizt, ein anderer jedoch mit kalter Luft versorgt wird.

[0004] Die erfindungsgemäße elektrische Heizung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass eine Durchmischung der Luft bei nur teilweiser Aktivität einzelner Heizstufen unterbleiben kann. Dadurch wird der Aufwand beispielsweise für mechanische Bauteile zur Durchmischung reduziert. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Heizung eine gleichmäßige Benutzung aller Heizstufen gewährleistet, und so der Verschleiß auf alle vorhandenen Heizstufen und somit auf alle Heizwiderstände verteilt.

[0005] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen elektrischen Heizung möglich.

[0006] Besonders vorteilhaft ist es, dass ein einfaches, konventionell erhältliches Regelungsverfahren wie die Pulsweitensteuerung eingesetzt wird.

[0007] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung einer elektrischen Heizung erlaubt es die Solltemperatur der zu beheizenden Zelle, beispielsweise einer Fahrgastzelle eines Kraftfahrezugs, auf einfache Weise zu regulieren. Mit Hilfe der Pulsweitensteuerung ist eine einfache kontinuierliche Steuerung von einer Ist-Temperatur zu einer Solltemperatur möglich. Die Pulsweitensteuerung ermöglicht dabei durch Einstellung der jeweiligen Dauer der Strompulse sowie der zeitlichen Abfolge der Strompulse eine flexible Ansteuerung der erfindungsgemäßen Heizung.

[0008] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 schematisch den erfindungsgemäßen Aufbau einer Heizung,

Figur 2 eine Pulsweitensteuerung bei geringer Heizleistung und

Figur 3 eine Pulsweitensteuerung bei hoher Heizleistung.

[0009] In Figur 1 ist eine elektrische Heizung 1 schematisch dargestellt. Eine Regeleinrichtung 3 enthält Reglern. Die Regler 4 stehen jeweils mit einem Heizwiderstand 2 in Verbindung. Die Stufen sind dabei mit den römischen Ziffern I, II, III und IV bezeichnet. Der Ausgang der elektrischen Heizwiderstände 2 ist gegenüber der beheizten Zelle 5 offen. Die elektrischen Kontakte der Regeleinrichtung 3 sind nicht weiter dargestellt ebensowenig die Luftführungskanäle durch die Heizwiderstände 2.

[0010] Figur 2 zeigt wie durch eine Pulsweitenansteuerung der Regeleinrichtung 3 die Heizwiderstände 2 mit quasi stufenloser Leistung betrieben werden können. Die Frequenz der Pulsweitensteuerung ist so zu wählen, dass zu einem für die Erwärmung der Heizwiderstände 2 ein quasi stationärer Zustand erreicht wird, und zum anderen die Belastung des Generators speziell in einem Kraftfahrzeug keine spürbaren Schwankungen erreicht. Eine Schwankung im Bordnetz unterhalb der vom menschlichen Auge auflösbaren 40 Hz würde sich zum Beispiel in der Beleuchtung des Fahrzeuges bemerkbar machen. Mit einer Schaltfrequenz von circa 100 Hz ist die Schwankung in der Spannung des Bordnetzes nicht mehr auflösbar und somit für den Menschen nicht mehr erkennbar. Um die Heizwiderstände 2 gleichmäßig zu erwärmen werden die einzelnen Stufen I, II, III, IV sequentiell eingeschaltet. Um die Schwankungen im Bordnetz gering zu halten wird die Schaltfrequenz von 100 Hz auf die Anzahl der Stufen heruntergeteilt. Im Beispiel der Figur 2 und der vier Heizwiderstände 2 werden die einzelnen Stufen mit jeweils 25 Hz getaktet. Dies reicht aus, um die Heizwiderstände in einen quasi stationären thermischen Zustand zu bringen, der einen optimalen Wirkungsgrad erlaubt. Die Einschaltdauer für jeden individuellen Heizwiderstand kann je noch Ansteuerleistung innerhalb des Zeitintervalls erfolgen, bis die nächste Stufe einschaltet.

[0011] In Figur 3 ist dargestellt, dass die Einschaltdauer der Stufen auch über den Einschaltpunkt der folgenden Stufen hinaus erstreckt werden kann. In jedem Fall wird der individuelle Heizwiderstand der Stufe außer bei maximaler Leistung vor dem Zeitpunkt der neuen Schaltsequenz dieser Stufe ausgeschaltet. Als Heizelemente werden vorzugsweise sogenannte PTC-(Positive Temperature Coefficient) Elemente eingesetzt, wie sie beispielsweise aus dem EP 0 895 440 A2 bekannt sind. PTC-Heizelemente, beispielsweise Thermistoren werden im Stand der Technik wie Heizgeräte eingesetzt. Diese Bauelemente haben den Vorteil, dass sie mit der Temperatur selbst regulierend sind und nicht überhitzt werden können. Gerade dieses positive Verhalten bei Beschaltungen mit übernormal hohen Strömen macht ihren Einsatz in kompakten Heizgeräten beliebt. Für die erfindungsgemäße elektrische Heizung ist der Einsatz von PTC-Elementen besonders vorteilhaft. Die Elemente erreichen durch die getaktete Ansteuerung einen quasi stationären Zustand. Überschwingen der Regelung durch steile Pulsflanken werden im PTC-Element unterdrückt. Damit sind auch an die Auslegung der elektronischen Steuerung keine hohen Anforderungen gestellt.

[0012] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst einen Temperaturdifferenz zwischen der Solltemperatur und der Isttemperatur ermittelt. Dies Temperaturdifferenz stellt die Regelgröße für die Pulsweitensteuerung dar. Ist die Differenz groß, wird einen hohe Heizleitung gefordert um den Ausgleich schnell zu erreichen. Die Pulsweitensteuerung regelt an den jeweiligen Heizwiderständen Strompulse mit großer Pulsdauer. Die Strompulse der einzelnen Heizwiderstände überlappen sich zeitlich, so daß einen integrale große Heizleitung resultiert.
Es ist auch denkbar, bei ein Regelungssystem zu verwenden, in dem die Heizwiderstände im Fall größter Heizleistung mit einem kontinuierliche Strom betrieben werden und nur bei Reduzierung der Heizleitung die Taktung des Stromes erfolgt.

Ansprüche

1. Elektrische Heizung (1) mit wenigstens zwei elektrischen Heizwiderständen (2), deren Heizleistung durch eine Regeleinrichtung (3) kaskadierbar ist,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Regeleinrichtung (3) eine der Anzahl an Heizwiderständen (2) entsprechenden Regler (4) aufweist,

die jeweils einem Heizwiderstand (2) zugeordnet sind,
wobei die Regeleinrichtung (3) jeden Regler (4) getrennt mit einem getakteten pulsförmigen Strom versorgt.

2. Elektrische Heizung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Regler (4) mit einer Pulsweitensteuerung der Regeleinrichtung (3) angesteuert sind.

3. Elektrische Heizung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Strompulse an den jeweiligen Regler (4) gegeneinander zeitlich verschoben sind.

4. Elektrische Heizung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Strompulse auf dem jeweiligen Regler(4) sich zeitlich verschoben überlappen.

5. Elektrische Heizung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Heizwiderstände PTC-Elemente sind.

6. Verfahren zur Regelung einer elektrischen Heizung bestehend aus mindestens zwei Heizwiderständen (2) und einer Regeleinheit (3),

- wobei eine Solltemperatur in der zu beheizenden Zelle mit einer Isttemperatur verglichen wird,

- der Regelkreis an die Regler der Heizwiderstände pulsförmige zeitversetzte Ströme abgibt, und

- die Dauer der Pulse von der Differenz der Temperaturen abhängig eingestellt wird.

Zeichnung