DE102011000719A1 - Method for operating electric heater for heating airflow in air-conditioning system of car, involves reading temperature of resistor heating elements based on resistance, and changing electric power of heating elements based on temperature - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Heizers sowie einen Heizer zum Erwärmen einer Fluidströmung, der nach einem derartigen Verfahren betrieben werden kann.The invention relates to a method for driving an electric heater and a heater for heating a fluid flow, which can be operated by such a method.
Der Grundaufbau derartiger Heizer für Kraftfahrzeuge ist beispielsweise in der
In der
In der
In der
Der Vorteil derartiger Heizer mit Wderstandsheizelementen gegenüber den eingangs beschriebenen Lösungen besteht darin, dass die Widerstandsheizelemente wesentlich preisgünstiger als die PTC-Widerstandselemente sind, so dass eine äußerst kostengünstige Fertigung ermöglicht wird. Nachteilig ist jedoch, dass derartige Widerstandsheizelemente die selbstregelnden Eigenschaften der PTC-Widerstandselemente nicht oder lediglich in wesentlich geringerem Umfang aufweisen, so dass eine geeignete Steuerung zur Vermeidung einer Überhitzung vorgesehen sein muss. Diese Widerstandsheizelemente können beispielsweise als Widerstandsdraht, Streck- oder Stanzmetall oder aus einem geeigneten Kunststoff, beispielsweise Kohlefaser hergestellt sein. Dabei sind Anwendungen sowohl im Hochvolt- als auch im Niedervoltbereich möglich.The advantage of such heaters with WDERstandsheizelementen over the solutions described above is that the resistance heaters are much cheaper than the PTC resistor elements, so that a very cost-effective production is possible. The disadvantage, however, is that such resistance heating elements do not or only to a significantly lesser extent have the self-regulating properties of the PTC resistance elements, so that a suitable control to avoid overheating must be provided. These resistance heating elements can be produced, for example, as a resistance wire, expanded or stamped metal or from a suitable plastic, for example carbon fiber. Applications are possible in both high-voltage and low-voltage ranges.
Nach dem Anlegen der Spannung liegt im Betrieb des Heizers zunächst die volle Heizleistung an. Das zu erwärmende Medium, beispielsweise Luft, Kühlwasser, Kraftstoff oder dergleichen durchströmt den Heizer und wird dementsprechend aufgewärmt. Kommt es zu einem Abreißen des Medienstroms, beispielsweise durch den Ausfall eines Lüfters, einer Pumpe oder einer Undichtigkeit im System, besteht die Gefahr, dass die Widerstandsheizelemente überhitzen. Im günstigsten Fall brennt das Heizelement durch, so dass die Stromzufuhr unterbrochen wird. Im ungünstigsten Fall bleibt der Stromfluss bestehen, so dass es zu einer Überhitzung oder Entzündung umliegenden Materials kommen kann – ein entsprechendes Schadensergebnis ist die Folge. Insbesondere bei Innenraumheizungen eines Kraftfahrzeuges ist ein derartiges Schadensereignis aufgrund der Gefährdung der Fahrzeugbenutzer oder der Umgebung in jedem Fall zu vermeiden. Es ist daher erforderlich, ein geeignetes Sicherungselement vorzusehen, über das die Temperatur erfasst werden kann und über die Leistungselektronik die eingetragene elektrische Leistung zu reduzieren, um eine Überhitzung zu vermeiden.After applying the voltage, the full heating power is initially applied during operation of the heater. The medium to be heated, for example air, cooling water, fuel or the like flows through the heater and is warmed up accordingly. If there is a tearing of the media flow, for example due to the failure of a fan, a pump or a leak in the system, there is a risk that the resistance heating elements overheat. In the best case, the heating element burns through, so that the power supply is interrupted. In the worst case, the current flow remains, so that it can lead to overheating or inflammation surrounding material - a corresponding damage result is the result. In particular, in interior heaters of a motor vehicle, such a damage event due to the endangerment of the vehicle user or the environment in any case to avoid. It is therefore necessary to provide a suitable fuse element, via which the temperature can be detected and to reduce via the power electronics, the registered electrical power to prevent overheating.
Ein derartiges Sicherungselement kann beispielsweise ein Thermoelement, beispielsweise ein NTC-Element sein, über das die Temperatur des aufzuheizenden Mediums aufgenommen wird. Die Verwendung eines derartigen Thermoelementes hat jedoch gravierende Nachteile. Zum einen ist es erforderlich, die Anschlüsse des Thermoelementes zur Leistungselektronik des Heizers zu führen, wobei auf eine hinreichende Abdichtung geachtet werden muss und die Zuleitungen so verlegt werden müssen, dass während des Betriebs kein Kabelbruch zu befürchten ist. Zum anderen erfolgt über das Thermoelement nur eine lokale Temperaturerfassung-Rückschlüsse auf die Gesamttemperatur im Heizer, d. h. die Temperatur des Widerstandsheizelementes oder des aufzuheizenden Mediums, sind nur schwierig möglich.Such a fuse element may for example be a thermocouple, for example an NTC element, via which the temperature of the medium to be heated is recorded. However, the use of such a thermocouple has serious disadvantages. On the one hand, it is necessary to guide the connections of the thermocouple to the power electronics of the heater, which must be paid to a sufficient seal and the leads must be routed so that no cable break is to be feared during operation. On the other hand, via the thermocouple, only a local temperature detection conclusions on the total temperature in the heater, d. H. the temperature of the resistance heating element or the medium to be heated, are difficult.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Heizers und einen nach einem derartigen Verfahren betreibbaren Heizer zu schaffen, mit dem bei der Verwendung eines Widerstandsheizelementes eine Überhitzung zuverlässig verhindert werden kann.In contrast, the invention has for its object to provide a method for driving an electric heater and a heater operable by such a method, with the overheating can be reliably prevented when using a resistance heating.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmalskombination des Patentanspruches 1 und im Hinblick auf den elektrischen Heizer durch die Merkmalskombination des nebengeordneten Patentanspruches 6 gelöst. This object is achieved with regard to the method by the combination of features of
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Der über das erfindungsgemäße Verfahren angesteuerte elektrische Heizer hat eine Leistungselektronik, über die zumindest ein Heizkreis angesteuert wird. Dieser Heizkreis hat ein Widerstandsheizelement, das mit der Leistungselektronik kontaktiert ist. Erfindungsgemäß ist in einem Datenspeicher der Leistungselektronik eine Widerstands-Temperatur-Kennlinie des Widerstandsheizelementes abgelegt.The electrical heater controlled via the method according to the invention has power electronics, via which at least one heating circuit is controlled. This heating circuit has a resistance heating element which is contacted with the power electronics. According to the invention, a resistance-temperature characteristic of the resistance heating element is stored in a data memory of the power electronics.
Während des Betriebs des Heizers wird der Widerstand des Widerstandsheizelementes ermittelt, beispielsweise durch Messung der Stromstärke bei vorgegebener Spannung, und in Abhängigkeit von diesem aktuell ermittelten Widerstand über die Kennlinie die Ist-Temperatur ausgelesen. Die elektrische Leistung wird dann über die Leistungselektronik in Abhängigkeit von dieser Ist-Temperatur moduliert und ggf. der Heizer oder ein Heizkreis abgeschaltet, wenn eine Maximaltemperatur überschritten ist. D. h. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Leistungsmodulation in Abhängigkeit von der über die Kennlinie ermittelten Temperatur.During operation of the heater, the resistance of the resistance heating element is determined, for example, by measuring the current at a predetermined voltage, and read in dependence on this currently determined resistance on the characteristic curve, the actual temperature. The electrical power is then modulated by the power electronics as a function of this actual temperature and possibly the heater or a heating circuit is switched off when a maximum temperature is exceeded. Ie. According to the method according to the invention, a power modulation takes place as a function of the temperature determined via the characteristic curve.
Dementsprechend ist der erfindungsgemäße elektrische Heizer mit einer Leistungselektronik ausgeführt, über die zumindest ein Heizkreis ansteuerbar ist. Dieser hat ein Widerstandsheizelement mit einer im Betriebstemperaturbereich etwa linearen Widerstands-Temperatur-Kennlinie, das mit der Leistungselektronik elektrisch kontaktiert ist. Diese hat einen Datenspeicher zur Ablage der Kennlinie und ist derart ausgelegt, dass ein Ist-Widerstand des Widerstandsheizelementes ermittelt und in Abhängigkeit von diesem Ist-Widerstand eine Ist-Temperatur aus dem Datenspeicher ausgelesen werden kann und dann die Ansteuerung des Widerstandsheizelementes in Abhängigkeit von dieser Ist-Temperatur erfolgt.Accordingly, the electric heater according to the invention is designed with power electronics, via which at least one heating circuit can be controlled. This has a resistance heating element with an approximately linear in the operating temperature range resistance-temperature characteristic, which is electrically contacted with the power electronics. This has a data memory for storing the characteristic curve and is designed such that an actual resistance of the resistance heating element determined and depending on this actual resistance an actual temperature can be read from the data memory and then the control of the resistance heating element in dependence on this -Temperature takes place.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren und den entsprechenden Heizer kann eine äußerst kostengünstige Temperaturüberwachung praktisch ohne zusätzliche Bauelemente realisiert werden, wobei ein Vorteil darin liegt, dass das gesamte Widerstandsheizelement selbst als Temperaturfühler wirkt und somit auch eine integrale Temperaturbestimmung ermöglicht wird. Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnene Temperatursignal kann dann zur Steuerung des Heizers, beispielsweise zum Abschalten des gesamten Heizers oder zum Wegschalten einzelner Heizkreise oder zur Leistungsmodulation verwendet werden.By means of this method according to the invention and the corresponding heater, an extremely cost-effective temperature monitoring can be realized practically without additional components, wherein an advantage lies in the fact that the entire resistance heating element itself acts as a temperature sensor and thus an integral temperature determination is also made possible. The temperature signal obtained by the method according to the invention can then be used to control the heater, for example to switch off the entire heater or to switch off individual heating circuits or for power modulation.
Bei einer Variante der Erfindung wird angenommen, dass die Kennlinie im Betriebstemperaturbereich näherungsweise linear verläuft, so dass die Erfassung der Kennlinie vereinfacht ist. Prinzipiell ist es selbstverständlich auch möglich, eine exakte Kennlinie mit nicht linearem Verlauf zugrunde zu legen.In a variant of the invention, it is assumed that the characteristic curve runs approximately linearly in the operating temperature range, so that the detection of the characteristic curve is simplified. In principle, it is of course also possible to use an exact characteristic curve with a non-linear course.
Bei einer annähernd linearen Kennlinie gestaltet sich die Kalibrierung vor Inbetriebnahme des Heizers relativ einfach, da beispielsweise bei vorgegebenen Referenztemperaturen jeweils der sich dabei ergebende Widerstand gemessen wird und dann aus den Widerstands-/Temperaturwerten und der Annahme eines etwa linearen Kennlinienverlaufes die Kennliniensteigung berechnet wird.With an approximately linear characteristic curve, the calibration before starting the heater is relatively simple, since, for example, at given reference temperatures, the resulting resistance is measured and then from the resistance / temperature values and the assumption of an approximately linear characteristic curve, the slope is calculated.
Die Kalibrierung ist noch einfacher, wenn man davon ausgeht, dass die Steigung der Kennlinie des Widerstandsmaterials auch bei Fertigungs- und Materialschwankungen gleich bleibt und die jeweiligen Kennlinien in Abhängigkeit von Material- und Fertigungsschwankungen lediglich parallel verschoben sind. In diesem Fall reicht es aus, eine einzige Messung bei vorgegebener Referenztemperatur durchzuführen und aus dem sich dann ergebenden Wertepaar (Widerstand, Temperatur) die Lage der Kennlinie mit vorgegebener Steigung zu bestimmen.Calibration is even easier if one assumes that the slope of the characteristic curve of the resistance material remains the same even in the case of manufacturing and material fluctuations and the respective characteristic curves are merely shifted in parallel, depending on material and manufacturing variations. In this case, it is sufficient to carry out a single measurement at a given reference temperature and to determine the position of the characteristic with a predetermined slope from the resulting value pair (resistance, temperature).
Beim erfindungsgemäßen Heizer kann ein Steuerelement der Leistungselektronik zum Schalten oder Regeln des Widerstandsheizelementes auch zur Messung der Stromstärke ausgelegt sein, so dass bei vorgegebener Betriebsspannung (Niedervolt etwa 13,5 V, Hochvolt zwischen 1 ca. 120 V und ca. 450 V) und aus der gemessenen Stromstärke der Ist-Widerstand des Widerstandsheizelementes ermittelt werden kann.In the heater according to the invention, a control of the power electronics for switching or controlling the Widerstandsheizelementes also be designed for measuring the current, so that at a given operating voltage (low voltage about 13.5 V, high voltage between 1 about 120 V and about 450 V) and off the measured current strength of the actual resistance of the resistance heating element can be determined.
Der Aufbau des elektrischen Heizers ist besonders einfach, wenn das Widerstandsheizelement eines Heizkreises aus einem Bandmaterial gefertigt ist.The structure of the electric heater is particularly simple if the resistance heating element of a heating circuit is made of a strip material.
Das oder die Widerstandsheizelemente werden vorzugsweise in einem Rahmen gehalten, dabei kann die Verbindung durch Verrastung erfolgen, so dass die Montage vereinfacht ist.The one or more resistance heating elements are preferably held in a frame, while the connection can be made by latching, so that the assembly is simplified.
Der Heizer hat einen kompakten Aufbau, wenn die Leistungselektronik seitlich an einen Rahmen angesetzt ist.The heater has a compact design, if the power electronics is attached to the side of a frame.
Die elektrische Kontaktierung der Steuerung kann über einen Plusbolzen und Massebolzen erfolgen, die seitlich im Parallelabstand vom Rahmen auskragen.The electrical contacting of the control can be done via a plus bolt and ground bolt, which protrude laterally at a parallel distance from the frame.
Bei einer Variante der Erfindung hat der Heizer ein mehrteiliges Steuergehäuse, das eine Platine der Leistungselektronik, ein mit dem Massebolzen kontaktiertes Masseblech und eine Dichtung zur Abdichtung der Leistungselektronik zur Umgebung hin enthält. In a variant of the invention, the heater has a multi-part control housing which contains a power electronics board, a ground plate contacted with the ground pin and a seal for sealing the power electronics to the environment.
Um eine thermische Überlastung der Leistungselektronik zu vermeiden, kann eine Platine mit Kühlelementen gekühlt werden, die durch das Steuergehäuse hindurch in einen Durchströmungsquerschnitt des Heizers ragen.In order to avoid a thermal overload of the power electronics, a circuit board with cooling elements can be cooled, which protrude through the control housing into a flow cross-section of the heater.
Bei einem sehr einfach aufgebauten Ausführungsbeispiel des Heizers erfolgt die Kontaktierung des Widerstandselementes über Anschlusspins, die entweder mit einem Masseblech elektrisch verbunden sind oder dieses ohne elektrischen Kontakt durchsetzen.In a very simple construction of the embodiment of the heater, the contacting of the resistor element via connection pins, which are either electrically connected to a ground plate or enforce this without electrical contact.
Eine Dichtung umgreift dann die genannten Anschlusspins und die Kühlelemente.A seal then surrounds the said connection pins and the cooling elements.
Die Montage ist besonders einfach, wenn ein Steuergehäuse seitlich an einem die Widerstandsheizelemente aufnehmenden Rahmen angeclipst ist.The assembly is particularly simple when a control housing is clipped on the side of a resistance heating elements receiving frame.
Ein Steuergehäusedeckel kann mit einem rahmenseitigen Steuergehäuseboden verrastet werden.A timing case cover may be latched to a frame-side timing case bottom.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to schematic drawings. Show it:
Der in
Das Steuergehäuse
Wie insbesondere aus
Weitere Details des Heizers
In der Darstellung gemäß
Wie bereits erläutert, sind die Endabschnitte der Widerstandsheizelemente
Einzelheiten der Leistungselektronik werden im Folgenden anhand der
Zur Ableitung der Abwärme thermisch hoch beanspruchter Bauteile der Platine
Die Masseverbindung der Platine
Zur Abdichtung der Leistungselektronik
Die Platine
Am Gehäuseboden
Wie eingangs erwähnt, ist das Widerstandsheizelement
Die derart gemessenen Kennlinien werden dann in einem Datenspeicher der Leistungselektronik abgelegt.The characteristic curves measured in this way are then stored in a data memory of the power electronics.
Bei dem vorbeschriebenen Kalibrierungsverfahren müssen für jedes Widerstandsheizelement
In Kenntnis dieser Kennlinien erfolgt die Ansteuerung des Heizers
Bei Inbetriebnahme des Fahrzeugs wird der Heizer zur Erwärmung des Luftstroms zunächst mit voller Leistung oder entsprechend der Vorgaben der Klimaanlagensteuerung mit verringerter Leistung, beispielsweise bei einigen abgeschalteten Heizkreisen angeschaltet.When the vehicle is put into operation, the heater for heating the air flow is first turned on at full power or according to the specifications of the air conditioning control with reduced power, for example, in some switched-off heating circuits.
Über ein Schalt- oder Regelelement, welches den jeweiligen Heizkreis ansteuert und das auf der Platine
In Abhängigkeit von diesem Widerstand wird dann aus der abgelegten Kennlinie des jeweiligen Widerstandsheizelementes
In dem Fall, in dem die Ist-Temperatur die vorgegebene Maximaltemperatur überschreitet, wird der Heizer
In dem Fall, in dem die Ist-Temperatur unterhalb der Maximaltemperatur liegt, erfolgt über die Leistungselektronik
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird für die Widerstandsheizelemente
Offenbart sind ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Heizers und ein nach einem derartigen Verfahren betreibbarer Heizer, wobei dieser mit zumindest einem Widerstandsheizelement ausgeführt ist, das selbst als Thermofühler wirkt, so dass dessen Temperatur zur Ansteuerung des Heizers verwendet werden kann.Disclosed are a method for driving an electric heater and a heater operable by such a method, wherein it is designed with at least one resistance heating element, which itself acts as a thermocouple, so that its temperature can be used to drive the heater.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Heizerstoker
- 22
- Radiatorradiator
- 44
- Leistungselektronikpower electronics
- 66
- Steuergehäusecontrol housing
- 88th
- Plusbolzenplus bolts
- 1010
- Massebolzenearth stud
- 1212
- Heizmodulheating module
- 1414
- Heizmodulheating module
- 1616
- Heizmodulheating module
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- Rahmenframe
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- Längsholmlongitudinal beam
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- Widerstandsheizelementresistance
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- Widerstandsheizelementresistance
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- Anschlussbereichelands
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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