[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aus mehreren Heizelementen
bestehenden mehrstufigen elektrischen Heizung, bei dem die in jedem Heizelement umgesetzte
Leistung durch Regeln der elektrischen Leistungsaufnahme auf einem Vorgabewert gehalten
wird.
[0002] In der am 26.03.2003 veröffentlichten
WO 99/07185 ist ein derartiges Verfahren beschrieben, bei dem Leistungshalbleiter über Regelschaltungen
geregelt werden, um die Heizleistung kontinuierlich einzustellen. Die Regelung der
Heizleistung wird dadurch möglich, dass die Leistungshalbleiter mittels eines gemeinsam
vorgebbaren Sollwertes und mittels von den Leistungshalbleitern abgeleiteten Ist-Werten
in der abgegebenen Leistung individuell regelbar sind.
[0003] Ferner ist ein Verfahren der eingangs genannten Art aus der
EP 1 091 621 A1 bekannt. Dort wird ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Heizung bestehend
aus mindestens zwei Heizwiderständen und einer Regeleinheit beschrieben. Dabei wird
eine Solltemperatur in einer zu beheizenden Zelle mit einer Ist-Temperatur verglichen,
an Regler der Heizwiderstände werden mittels eines Regelkreises pulsförmige zeitversetzte
Ströme abgegeben, und die Dauer der Pulse wird abhängig von der Differenz der Temperaturen
eingestellt.
[0004] 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
PTC-Steinen bestehen.
[0005] 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:

[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch Anspruch 1 gelöst. 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, wird die Spannung an den einzelnen Heizelementen separat auf die geforderte
Nennleistung herunter geregelt.
[0010] Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren im einzelnen anhand eines besonders
bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben.
[0011] 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 vorgegebenen
Wert P
Hsoll/n gehalten. Dieser Vorgabewert kann veränderlich sein, so dass die Leistungsabgabe
der Heizung einstellbar ist.
[0012] 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:

[0013] 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.
[0014] 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:

[0015] 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.
1. Verfahren zum Betreiben einer aus mehreren Heizelementen bestehenden mehrstufigen
elektrischen Heizung, bei dem die in jedem Heizelement umgesetzte Leistung durch Regeln
der elektrischen Leistungsaufnahme auf einem Vorgabewert gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung an den einzelnen Heizelementen separat von der vollen Betriebsspannung,
bei der die Heizelemente jeweils eine Leistungsaufnahme auf dem Vorgabewert hätten,
wenn ihr Widerstand einen Maximalwert hätte, der durch die Streuung des elektrischen
Widerstandes der einzelnen Heizelemente nicht überschritten wird, in Abhängigkeit
von der ermittelten Leistungsaufnahme der einzelnen Heizelemente jeweils so heruntergeregelt
wird, dass die Leistungsaufnahme auf den Vorgabewert reduziert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgabewert der Leistungsaufnahme aller Heizelemente gleich ist.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgabewert der Leistungsaufnahme der Heizelemente einstellbar ist.
1. A method for operating a multi-stage electrical heater comprising a plurality of heating
elements, in which method a set value of the power consumption in each of the heating
elements is maintained by controlling the electrical input power,
characterized in that separately from the full operating voltage the operating voltage applied to the individual
heating elements is so down-regulated as a function of the power consumption, which
has been determined for the individual heating elements, that the power consumption
is reduced to the set value,
the full operating voltage being that voltage at which the heating elements would
have a power consumption at the set value, provided their resistance would have a
maximum value which is not exceeded by the resistance of any of the heating elements
which may deviate from a nominal value.
2. The method according to claim 1,
characterized in that the set value of the power consumption is selected to be the same for all heating
elements.
3. The method according to any of the preceding claims,
characterized in that the set value of the power consumption of the heating elements is adjustable.
1. Procédé permettant l'exploitation d'un chauffage électrique multi-étagé composé de
plusieurs éléments chauffants, dans lequel la puissance dissipée dans chaque élément
chauffant peut être maintenue à une valeur de consigne par réglage de la puissance
électrique absorbée caractérisé en ce que la tension de service au niveau de chacun des éléments chauffants, indépendamment
de la tension de service totale à laquelle les éléments chauffants présenteraient
respectivement une puissance absorbée égale à la valeur de consigne si leur résistance
affichait une valeur maximale, qui, du fait de la dispersion de la résistance électrique
des différents éléments chauffants n'est pas dépassée, est abaissée en fonction de
la puissance absorbée déterminée des différents éléments chauffants de manière à ce
que la puissance absorbée soit réduite à la valeur de consigne.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la valeur de consigne de la puissance absorbée est identique pour tous les éléments
chauffants.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la valeur de consigne de la puissance absorbée des éléments chauffants est réglable.