EP3417672A1 - Elektrische vorrichtung, insbesondere heizer, sowie vorrichtung und verfahren zur ansteuerung einer elektrischen vorrichtung - Google Patents

Elektrische vorrichtung, insbesondere heizer, sowie vorrichtung und verfahren zur ansteuerung einer elektrischen vorrichtung

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EP3417672A1
EP3417672A1 EP17705617.3A EP17705617A EP3417672A1 EP 3417672 A1 EP3417672 A1 EP 3417672A1 EP 17705617 A EP17705617 A EP 17705617A EP 3417672 A1 EP3417672 A1 EP 3417672A1
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EP
European Patent Office
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heating
circuit
voltage
value
resistor
Prior art date
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EP17705617.3A
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English (en)
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EP3417672B1 (de
Inventor
Rainer Heck
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DBK David and Baader GmbH
Original Assignee
DBK David and Baader GmbH
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Publication date
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Publication of EP3417672B1 publication Critical patent/EP3417672B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H05B1/0236—Industrial applications for vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/02—Heaters using heating elements having a positive temperature coefficient

Definitions

  • Electric device in particular heater, and device and method for
  • the invention relates to an electrical device such as a heater, which is optionally designed for motor vehicles or for other rooms or objects to be heated. Furthermore, the invention relates to a method for driving an electrical device, e.g. an electrical circuit, and a use. From DE 2013/103433 A1 an electrical device in the form of a heater is known, which has an electronic circuit for controlling the heater.
  • the heater may, for example, one or more heating elements in the form of PTC elements (Positive Temperature Coefficient - elements), whose
  • PWM pulse-width modulation
  • circuit breakers may, for example, semiconductor switches such as
  • Bipolar transistors field effect transistors, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor, insulated gate bipolar transistor), or MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors). If such a circuit breaker should have an error, such as a short circuit, a breakdown or an interruption, such error cases can i.a. to overheat the affected circuit breaker, for example in the event of a short circuit, or to overheat in parallel
  • Circuit breakers for example, in case of interruption lead. This should be avoided for reasons of functional safety.
  • radiators such as tubular heaters
  • a cooling medium heater leads to a consequent error to overheat the entire heater and thus represents a potential fire hazard to the system, such as a vehicle dar.
  • a potential fire hazard to the system such as a vehicle dar.
  • ISO 26262 road vehicles - functional safety
  • Overheating can e.g. be detected by providing an additional temperature sensor that can trigger a shutdown at too high a temperature.
  • the invention has for its object to provide an electrical device that can detect functional errors in the control of the electrical device, such as a heater, in a compact, spatially and costly not increased form.
  • an electrical device such as a heater, according to claim 1 is provided to solve this problem.
  • Advantageous embodiments are specified in the subclaims. Furthermore, with the invention, a use of such a device
  • a PWM drive is used for power control of one or more heating resistors. This PWM control allows precise control of the desired
  • the drive frequency is a selectable parameter here.
  • the functionality ie the correct function or possible malfunctions of the PWM switch can be monitored during operation, eg of the heating operation, in one, several or all embodiments of the invention. In this case, overheating, a short circuit or an interruption of the one or more PWM switches, or even an unwanted, static control of the PWM switch detected become.
  • the inventively used monitoring and error detection so realized in embodiments of the invention and shown in the drawings diagnostic circuit is independent of the respective technology of the switch or the used (eg MOSFET, IGBT, relay, miscellaneous
  • Embodiments of the invention make it possible to omit separate Schutrangstrom horren at several heating strands, which may for example be connected in parallel, but are independently controllable.
  • Heating elements flowing current or a related size it is possible system or circuit failure of one or more
  • Circuit components such as in PWM switches, occurring disturbances to recognize, without additional, separate components such as temperature sensors are required. This simplifies the circuit structure at high
  • Embodiments of the invention allow e.g. an overheating detection of tubular heaters in a heater e.g. with high-frequency PWM control.
  • Fig. 1 is a block diagram of an electrical or
  • Fig. 2 shows an embodiment of an electrical device in the form of a
  • FIG. 1 is a general block diagram of an electrical device 2 is shown, which can be supplied by a power supply 1 with voltage and / or power and monitored by an evaluation and control device 3 and switchable, for example, switched on, off or higher or lower
  • the electrical device 2 can be, for example, an electrically operable heater, for example for a motor vehicle, a machine or another device.
  • the evaluation / control device 3 monitors the electrical device 2
  • the electrical device 2 has a heater with three heating resistors 10, 30, 40.
  • the number of heating resistors may also be higher or lower, for example only one heating resistor, or even two, four, or more than four heating resistors.
  • a heating element of a tubular heater can be considered as a series connection of an ohmic resistor RRHK and an inductor or coil LRHK, where RRHK optionally has a PTC behavior. That the ohmic resistance of the RHK increases with increasing temperature and is therefore a measure of the temperature. By monitoring the ohmic resistance during heating operation, the temperature of the RHK can thus be monitored.
  • the heating resistor 10 has in this embodiment, a series circuit of an ohmic resistance 1 1 and an inductance 12, which as a separate
  • Component may be formed, but in other cases operational or
  • the heating resistor 10 is connected via its ohmic resistor 1 1 with a connection directly to a power supply via a line 8, at which the
  • the other terminal of the heating resistor 10 or the series circuit of ohmic resistor 1 1 and, if present, inductance 12 is connected via a switch 15 and, optionally, via a further switch 16 and a measuring resistor 18 with reference potential 19.
  • the switch 15 is formed, for example, as a transistor switch, which serves as a PWM switch and by a PWM control
  • Control circuit 14 is switched on and off and controlled pulse width modulated.
  • the further switch 16 serves as a common safety switch for all
  • a measuring circuit 21 Connected to the measuring resistor 18 is a measuring circuit 21, which performs an average current measurement of all three heating currents of the heating resistors 10, 30, 40 and is connected to the two terminals of the measuring resistor 18 in order to detect the current flowing through the measuring resistor 18.
  • heating resistors 10, 30, 40 are provided.
  • the heating resistors 30, 40 are constructed the same as the heating resistor 10 described in detail above, and thus each likewise have an ohmic resistance and an inductance connected in series therewith, possibly also as a fault.
  • the heating resistors 30, 40 are the same as the
  • Heating resistor 10 via its own PWM switch 31, 41 and a separate PWM control 32 and 42 (in the figure, with PWM control 2 or PWM control 3) connected to a common line 20, which outputs the PWM Switch 15, 31, 41 together with the switch 16 and connects via this with the measuring resistor 18.
  • a single measuring circuit 21 for the current measurement of all, or at least some of the heating resistors 10, 30, 40 is sufficient, which further reduces the circuit complexity.
  • the Measuring resistor 18 thus occurs the sum of all heating currents through the heating resistors 10, 30, 40 (l_Heiz_Summe (t)).
  • the measuring circuit 21 performs a current measurement of the sum of the three heating currents of the heating resistors 10, 30, 40 on the summation of the heating currents on
  • Measuring resistor 18 through and can mittein this current measurement in the form of an average value and their output signal via an output line 22 to an input 23 of an evaluation circuit 24, for example in the form of a microcontroller.
  • the input 23 represents an analog input (analog port 2).
  • At the input 23 of the evaluation circuit 24 is thus the averaged SummenMapstrom
  • a supply voltage measuring signal representing the supply voltage (UHeiz), which corresponds to the supply voltage value occurring at the line 8 at the inputs of the heating resistors 10 , 30, 40 represents applied voltage.
  • UHeiz the supply voltage
  • For the measurement of the magnitude of the supply voltage is on line 8, a series circuit of two
  • Resistors 26, 27 connected between the line 8 and the reference potential 19, so that at the tap between the series connection of the resistors 26, 27 the
  • Evaluation circuit 24 is created. Thus, at the input of the evaluation circuit 25 there is both an input signal representing the supply voltage and an input signal (input 23) representing the measured, average current.
  • an electrical device in the form of an electric heater which can be used to control the temperature of a component, for example in a motor vehicle, in the household sector, in the industrial sector or the like.
  • Embodiments allow overheating detection, for example of tubular heaters in a heater with high frequency PWM control as a
  • Embodiment of the invention thus allows according to one or more embodiments, an overheating detection of tubular heaters and thus can reduce the risk of fire, for example, in a vehicle that is not recognized by an unrecognized
  • the PTC behavior of ohmic tubular heater resistors can be exploited, the heating resistors in this case being formed from a PTC material, that is to say having PTC behavior.
  • Heating resistors LRHK, negligible.
  • Each heating string may e.g. a separate current measurement for the peak, wherein a measurement of the high voltage voltage UHV, that is, the voltage applied to the heating resistors, is present.
  • UHV high voltage voltage
  • RRHK tubular heater resistance
  • Z (t) Ui-iv (t) / lHeiz_summe_Mittei (t).
  • Calculated variable Z can be determined for example by the embodiment of FIG. 2 and the evaluation circuit 24 shown there, at the inputs of the heating voltage or a derived therefrom by voltage division derived value on the one hand and the mean value of Schustromsumme lHeiz_summe_Mittei (t).
  • n number of heating strands
  • the circuit design according to the invention and / or the introduction of Z can reliably ensure overheating detection.
  • the principle here is that Z becomes maximum when RRHK becomes maximum.
  • the maximum pipe heater resistance RRHK_max occurring during normal heating operation can be determined by measurement, whereby the following boundary conditions can be set: PlaTing plaY max
  • As an error condition can be set in this case Ziviess (v) ⁇ Z re f (v), ie if the measured value falls below the reference value.
  • the advantages of overheating detection by means of such a reference curve are, inter alia, that only little circuitry complexity is required and that it works at all PWM frequencies.
  • Other embodiments may include not only one reference curve but a plurality of reference curves
  • the control of the heating power takes place in one or more embodiments by pulse width modulation (PWM) of the heating string currents.
  • PWM pulse width modulation
  • fpwM 66.6 Hz
  • the resistance RRHK in each heating string can simply be determined as a quotient of measured HV voltage and peak current measured.
  • Z (t) has the dimension of an impedance but is not the impedance of the tubular heater.
  • Z In the steady state and assuming ideal switches and diodes, where the voltage drop is 0 V, Z has the following relationship:
  • n number of heating strands
  • the heating power is controlled by the power supply unit (high voltage power supply HV).
  • ⁇ 24 makes sense to store a reference curve ZRef (RRHK_max_ref, v) in the EEPROM of the ⁇ 24, the value range of v comprising all setting values that are possible in heating mode.
  • the computational cost of ⁇ 24 is limited to the computation of Z from the measurements of Ui-iv (t) and lHeiz_summe_mittei (t) and a subsequent comparison operation with the corresponding reference value.
  • a more refined implementation is the use of multiple reference curves with different RRHK max ref, where each RRHK_ max ref is related to a particular r heating (e.g., 25% P heating max, 50% P heating max, 1 00% PHeiz_max). This has the advantage that one recognizes the case of error overheating faster.
  • the most suitable Z reference curve is selected. If the heating requirement is lowered, the cooling time of the RHKs is taken into account. This means that as long as the RHKs are not yet in the thermally steady state, the diagnosis can be deactivated or a suitable transition function from one Z reference curve to the next Z reference curve is used.
  • the overheating detection with the help of the Z calculation requires only a little circuit complexity and works at all PWM frequencies.
  • the invention can also be used in other electrical circuits or consumers and not only in heaters such as tubular heaters.
  • heaters such as tubular heaters.
  • Power control for controlling the power level of a consumer can be realized in the manner described above.

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  • Control Of Resistance Heating (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung, mit mindestens einem, Heizwiderstand (11), mindestens einer PWM-Ansteuerschaltung (14, 32, 42) zur Ansteuerung des mindestens einem Heizwiderstands (11), einer Messschaltung (18, 21), die dazu ausgelegt ist, einen mittleren Wert der durch die Heizwiderstände (11) fließenden Stroms zu ermitteln, und einer Auswerteschaltung (24) zur Erfassung einer an den mindestens einen Heizwiderstand (11) angelegten Spannung oder eines hiervon abhängigen Spannungswerts und des durch die Messschaltung 21 ermittelten mittleren Werts des durch den Heizwiderstand (11) fließenden Stroms, wobei die Auswerteschaltung dazu ausgelegt ist, aus der Spannung bzw. dem Spannungswert und dem von der Messschaltung (18, 21) ermittelten Wert eine Rechengröße (Z(t)) zu ermitteln und mit einem Referenzwert (ZRef) zu bewerten, optional zu vergleichen, um Fehler zu erkennen.

Description

Elektrische Vorrichtung, insbesondere Heizer, sowie Vorrichtung und Verfahren zur
Ansteuerung einer elektrischen Vorrichtung Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung wie beispielsweise einen Heizer, der optional für Kraftfahrzeuge oder für andere, zu beheizende Räume oder Objekte ausgelegt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Vorrichtung, z.B. einer elektrischen Schaltung, und eine Verwendung. Aus der DE 2013/103433 A1 ist eine elektrische Vorrichtung in Form eines Heizers bekannt, die eine elektronische Schaltung zur Ansteuerung des Heizers aufweist. Der Heizer kann beispielsweise ein oder mehrere Heizelemente in Form von PTC- Elementen (Positive Temperature Coefficient - Elementen) aufweisen, deren
elektrischer Widerstand mit ansteigender Temperatur zunimmt.
Wenn die elektrische Schaltung beispielsweise als Heizer ausgestaltet ist, kann eine Leistungsregelung vorgesehen sein, die mittels einer PWM-Ansteuerung (PWM = Puls- Weiten-Modulation) von einem oder mehreren Leistungsschaltern realisiert ist. Solche Leistungsschalter können beispielsweise Halbleiterschalter wie etwa
Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate), oder MOSFETs (Metalloxidsemiconductor- Feldeffekttransistoren) sein. Wenn ein solcher Leistungsschalter einen Fehler, wie etwa einen Kurzschluss, eine Durchlegierung oder eine Unterbrechung aufweisen sollte, können solche Fehlerfälle u.a. zur Überhitzung des betroffenen Leistungsschalters, beispielsweise bei Kurzschluss, oder zur Überhitzung von parallel geschalteten
Leistungsschaltern, beispielsweise bei Unterbrechung, führen. Dies sollte aus Gründen der funktionalen Sicherheit vermieden werden.
Eine Überhitzung von Heizkörpern, z.B. von Rohrheizkörpern, die zum Beispiel beim Trockenlauf eines normalerweise von einem Kühlmedium durchflossenen Heizers auftreten kann, führt als Folgefehler zur Überhitzung des gesamten Heizers und stellt somit eine potenzielle Brandgefahr für das System, z.B. ein Fahrzeug dar. Damit sind auch Gefährdungsszenarien möglich, die eine Gefahr für Leib und Leben enthalten. Deshalb ist es wünschenswert bzw. von der Norm ISO 26262 (Road vehicles - Functional safety) gefordert, dass eine Überhitzung der Heizkörper bzw. der Heizelemente rechtzeitig erkannt wird, damit der Heizer eine Sicherheitsabschaltung auslösen kann.
Eine Überhitzung kann z.B. durch Vorsehen eines zusätzlichen Temperaturfühlers erkannt werden, der eine Abschaltung bei zu hoher Temperatur triggern kann.
Allerdings fordert das Vorsehen eines solchen zusätzlichen Temperatursensors erhöhten Aufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Vorrichtung zu schaffen, die Funktionsfehler bei der Ansteuerung der elektrischen Vorrichtung, beispielsweise eines Heizers, in kompakter, räumlich und aufwandsmäßig nicht erhöhter Form erkennen kann.
Mit der Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe eine elektrische Vorrichtung, beispielsweise ein Heizer, gemäß dem Patentanspruch 1 bereitgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Weiterhin wird mit der Erfindung eine Verwendung einer solchen Vorrichtung
aufgezeigt. Ferner wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Schaltung oder Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch geschaffen.
Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine PWM- Ansteuerung zur Leistungssteuerung eines oder mehrerer Heizwiderstände eingesetzt. Diese PWM-Ansteuerung erlaubt eine präzise Steuerung der gewünschten
Heizleistung. Die Ansteuerfrequenz ist hierbei ein wählbarer Parameter.
Die Funktionalität, also die korrekte Funktion oder eventuelle Funktionsfehler des PWM- Schalters können während des Betriebs, z.B. des Heizbetriebs, bei einem, mehreren oder allen Ausführungsbeispielen der Erfindung überwacht werden. Dabei können eine Überhitzung, ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung des oder der PWM-Schalter, oder auch eine unerwünschte, statische Ansteuerung des PWM-Schalters erkannt werden. Die erfindungsgemäß eingesetzte Überwachung und Fehlererkennung, also die bei Ausführungsbeispielen der Erfindung realisierte und in den Zeichnungen dargestellte Diagnose-Schaltung, ist unabhängig von der jeweiligen Technologie des oder der verwendeten Schalter (z.B. MOSFET, IGBT, Relais, sonstige
Transistorschaltung) und somit universell in jeder Elektronik mit PWM-Regelung einsetzbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung erlauben es, bei mehreren Heizsträngen, die beispielsweise parallel geschaltet sein können, jedoch unabhängig voneinander steuerbar sind, separate Heizstrangstrommessungen entfallen zu lassen.
Durch die Erfassung und Auswertung der an die elektrische Schaltung, beispielsweise an den oder die Heizwiderstände, angelegten Spannung, und/oder des in den
Heizelementen fließenden Stroms oder einer damit zusammenhängenden Größe, ist es möglich, System- oder Schaltungsfehler von einer oder mehreren
Schaltungskomponenten, wie etwa in PWM-Schaltern, auftretende Störungen, zu erkennen, ohne dass zusätzliche, separate Komponenten wie etwa Temperaturfühler erforderlich sind. Hierdurch vereinfacht sich der Schaltungsaufbau bei hoher
Funktionszuverlässigkeit und Fehlererfassungsgenauigkeit deutlich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung erlauben z.B. eine Überhitzungserkennung von Rohrheizkörpern in einem Heizer z.B. mit hochfrequenter PWM-Ansteuerung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen elektrischen oder
elektronischen Vorrichtung;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Vorrichtung in Form eines
Heizers, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, das ein oder mehrere, separat schaltbare Heizwiderstände aufweist. In Fig. 1 ist ein allgemeines Blockschaltbild einer elektrischen Vorrichtung 2 dargestellt, die durch eine Energieversorgung 1 mit Spannung und/oder Strom versorgbar ist und durch eine Auswertungs- und Kontrolleinrichtung 3 überwachbar und umschaltbar ist, beispielsweise einschaltbar, ausschaltbar oder auf höheres oder niedrigeres
Energieniveau schaltbar ist.
Die elektrische Vorrichtung 2 kann beispielsweise ein elektrisch betreibbarer Heizer, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, eine Maschine oder ein sonstiges Gerät sein. Die Auswertungs-/Kontrolleinrichtung 3 überwacht die elektrische Vorrichtung 2 auf
Fehlfunktionen und schaltet die Energieversorgung 1 bei Erfassung von Störungen um oder aus.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Vorrichtung 2 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die elektrische Vorrichtung 2 einen Heizer mit drei Heizwiderständen 10, 30, 40 auf. Die Anzahl von Heizwiderständen kann auch höher oder geringer sein, beispielsweise nur einen Heizwiderstand, oder auch zwei, vier, oder mehr als vier Heizwiderstände umfassen.
Ein Heizdraht eines Rohrheizkörpers (RHK) kann als Reihenschaltung von einem ohmschen Widerstand RRHK und einer Induktivität, bzw. Spule LRHK betrachtet werden, wobei RRHK optional ein PTC-Verhalten aufweist. D.h. der ohmsche Widerstand des RHK steigt mit zunehmender Temperatur und ist somit im Umkehrschluss ein Maß für die Temperatur. Durch Überwachung des ohmschen Widerstands während des Heizbetriebs kann somit die Temperatur des RHKs überwacht werden.
Der Heizwiderstand 10 weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand 1 1 und einer Induktivität 12 auf, die als separate
Komponente ausgebildet sein kann, aber in anderen Fällen betriebs- oder
schaltungsbedingt, z.B. aufgrund der wendeiförmigen Wicklung des Heizwiderstands 1 1 , als immanente Komponente, insbesondere bei höheren Spannungsfrequenzen, auftreten kann und dann in manchen Fällen auch unerwünscht sein kann. Antiparallel zu der Reihenschaltung aus Widerstand 1 1 und Induktivität 12 kann in manchen
Anwendungsfällen aus Sicherheitsgründen eine Diode 13 geschaltet sein, um Spannungsspitzen in negativer Richtung zu unterbinden oder zu verringern. Der Heizwiderstand 10 ist über seinen ohmschen Widerstand 1 1 mit einem Anschluss direkt an eine Spannungsversorgung über eine Leitung 8 angeschlossen, an der die
Heizspannung UHeiz anliegt.
Der andere Anschluss des Heizwiderstands 10 bzw. der Reihenschaltung aus ohmschen Widerstand 1 1 und, sofern vorhanden, Induktivität 12 ist über einen Schalter 15 und, optional, über einen weiteren Schalter 16 sowie einen Messwiderstand 18 mit Bezugspotential 19 verbunden. Der Schalter 15 ist beispielsweise als Transistorschalter ausgebildet, der als PWM-Schalter dient und durch eine PWM-Ansteuerung
(Ansteuerschaltung) 14 ein- und ausgeschaltet sowie pulsbreitenmoduliert gesteuert wird. Der weitere Schalter 16 dient als gemeinsamer Sicherheitsschalter für alle
Heizwiderstände 10, 30, 40 und kann ggf. auch entfallen. Im Ausführungsbeispiel wird er über eine statische Ansteuerung (Ansteuerungsschaltung) 17 stabil ein- oder ausgeschaltet.
Mit dem Messwiderstand 18 ist eine Messschaltung 21 verbunden, die eine Mittelwert- Strommessung aller drei Heizströme der Heizwiderstände 10, 30, 40 durchführt und mit den beiden Anschlüssen des Messwiderstands 18 verbunden ist, um den durch den Messwiderstand 18 fließenden Strom zu erfassen.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind, wie gezeigt, drei Heizwiderstände 10, 30, 40 vorgesehen. Die Heizwiderstände 30, 40 sind gleich wie der vorstehend detailliert beschriebene Heizwiderstand 10 aufgebaut und weisen somit ebenfalls jeweils einen ohmschen Widerstand und eine hiermit in Reihe geschaltete Induktivität, ggf. auch als Störung, auf. Die Heizwiderstände 30, 40 sind gleich wie der
Heizwiderstand 10 über einen eigenen PWM-Schalter 31 , 41 und eine eigene PWM- Ansteuerung 32 bzw. 42 (in der Abbildung gekennzeichnet mit PWM-Ansteuerung 2 bzw. PWM-Ansteuerung 3) mit einer gemeinsamen Leitung 20 verbunden, die die Ausgänge der PWM-Schalter 15, 31 , 41 gemeinsam mit dem Schalter 16 und über diesen mit dem Messwiderstand 18 verbindet. Damit ist eine einzige Messschaltung 21 für die Strommessung aller, oder jedenfalls einiger der Heizwiderstände 10, 30, 40 ausreichend, wodurch sich der Schaltungsaufwand weiter reduziert. Am Messwiderstand 18 tritt somit die Summe aller Heizströme durch die Heizwiderstände 10, 30, 40 auf (l_Heiz_Summe (t)).
Die Messschaltung 21 führt eine Strommessung aus der Summe der drei Heizströme der Heizwiderstände 10, 30, 40 über die Summenbildung der Heizströme am
Messwiderstand 18 durch und kann diese Strommessung in Form eines Mittelwerts mittein und ihr Ausgangssignal über eine Ausgangsleitung 22 an einen Eingang 23 einer Auswerteschaltung 24, beispielsweise in Form eines MikroControllers, abgeben. Der Eingang 23 stellt einen Analogeingang (Analog-Port 2) dar. Am Eingang 23 der Auswerteschaltung 24 liegt somit ein den gemittelten Summenheizstrom
repräsentierendes Spannungssignal U_Mess(l_Heiz_Summe_Mittel) an.
An einem weiteren Eingangsanschluss 25, der als analoger Eingangsanschluss (Analog-Port 1 ) ausgelegt sein kann, liegt ein die Versorgungsspannung (UHeiz) repräsentierendes Versorgungsspannungs-Messignal an, das den an der Leitung 8 auftretenden Versorgungs-Spannungswert der an den Eingängen der Heizwiderstände 10, 30, 40 angelegten Spannung repräsentiert. Für die Messung der Größe der Versorgungsspannung ist an der Leitung 8 eine Reihenschaltung aus zwei
Widerständen 26, 27 zwischen die Leitung 8 und das Bezugspotential 19 geschaltet, so dass am Abgriff zwischen der Reihenschaltung der Widerstände 26, 27 die
Versorgungsspannung der Heizwiderstände als Eingangsgröße für die
Auswerteschaltung 24 angelegt ist. Damit liegt am Eingang der Auswerteschaltung 25 sowohl ein die Versorgungsspannung repräsentierendes Eingangssignal als auch ein den gemessenen, gemittelten Strom repräsentierendes Eingangssignal (Eingang 23) an.
Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine elektrische Vorrichtung in Form eines elektrischen Heizers dargestellt, der zur Steuerung der Temperatur einer Komponente, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, im Haushaltsbereich, im industriellen Bereich oder dergleichen eingesetzt werden kann. Ausführungsbeispiele erlauben eine Überhitzungserkennung beispielsweise von Rohrheizkörpern in einem Heizer mit hochfrequenter PWM-Ansteuerung als ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Erfindung erlaubt gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen somit eine Überhitzungserkennung von Rohrheizkörpern und kann somit die Brandgefahr beispielsweise in einem Fahrzeug vermindern, die durch eine nicht erkannte
Überhitzung von Rohrheizkörpern, z.B. bei Trockenlauf des Heizers, resultieren könnten.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung, beispielsweise gemäß den Figuren 1 und 2, kann das PTC-Verhalten von ohmschen Rohrheizkörperwiderständen ausgenutzt werden, wobei die Heizwiderstände hier aus einem PTC-Material gebildet sind, also PTC-Verhalten aufweisen. In diesem Fall ist der ohmsche Rohrheizkörperwiderstand RRHK eine Funktion von„θ", beispielsweise der Temperatur (RRHK = ί(θ)). RRHK(t) wird während des Heizbetriebs fortlaufend berechnet.
Bei niederfrequenter PWM-Ansteuerung, beispielsweise einer Frequenz fpwM = beispielsweise 33,3 Hz oder 66,6 Hz oder anderen vergleichbaren Werten ist die Beeinflussung der Kurvenform der Heizströme durch eine Induktivität der
Heizwiderstände, LRHK, vernachlässigbar. Jeder Heizstrang kann z.B. eine separate Strommessung für den Spitzenwert aufweisen, wobei eine Messung der Hochvolt- Spannung UHV, das heißt der an die Heizwiderstände angelegten Spannung, vorhanden ist. Bei dieser niederfrequenten Ansteuerung lässt sich der Rohrheizkörper-Widerstand RRHK aus den Messwerten in einfacher Weise ermitteln, da hier gilt: RRHK(t) = UHv(t) / lHeiz_Spitze(t).
Bei hochfrequenter PWM-Ansteuerung von Rohrheizkörpern ist der
Heizwiderstandswert schwieriger zu erfassen. Bei einer hochfrequenten Ansteuerung von beispielsweise 3 kHz oder mehr (fpwM = z.B. 3 kHz oder mehr), ist die
Beeinflussung der Kurvenform der Heizströme durch die Induktivität LRHK des oder der Heizwiderstände nicht vernachlässigbar. Bei mehreren Heizwiderständen kann eine Strommessung für den Mittelwert des Summenheizstroms vorhanden sein, wobei zusätzlich eine Messung der Hochvolt-Spannung UHV vorhanden sein kann.
Eine Berechnung von RRHK aus Messwerten muss einen komplizierten impliziten Zusammenhang berücksichtigen. Aus diesem Grund ist vorteilhafterweise eine optionale Rechengröße Z eingeführt: Z(t) = Ui-iv(t) / lHeiz_summe_Mittei(t). Diese
Rechengröße Z kann beispielsweise durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und die dort gezeigte Auswerteschaltung 24 ermittelt werden, an deren Eingängen die Heizspannung bzw. ein hiervon durch Spannungsteilung gewonnener abgeleiteter Wert einerseits und der Mittelwert der Heizstromsumme lHeiz_summe_Mittei(t) anliegen.
Die Rechengröße Z kann bei Ausführungsbeispielen durch die Formel
ermittelt werden.
Hierbei gilt:
T = PWM-Periodendauer
v = PWM-Tastgrad
τ = LRHK / RRHK
n = Anzahl der Heizstränge
Durch die erfindungsgemäße Schaltungsauslegung und/oder die Einführung von Z lässt sich eine Überhitzungserkennung zuverlässig sicherstellen. Das Prinzip beruht hierbei darauf, dass Z maximal wird, wenn RRHK maximal wird. Der bei normalem Heizbetrieb mögliche auftretende maximale Rohrheizkörperwiderstand RRHK_max lässt sich messtechnisch ermitteln, wobei folgende Randbedingungen eingestellt werden können: PlHeiz— PlHeiz max
— Qmin
Eine Referenzkurve Zref = f(RRHK_max, LRHK, T, V) lässt sich in einem Speicher der Auswerteschaltung, beispielsweise in einem EEPROM eines MikroControllers, abspeichern, wobei ein fortlaufender Vergleich von Ziviess(v) mit der Referenzkurve Zref(v) durchführbar ist. Als Fehlerbedingung kann hierbei Ziviess(v) < Zref(v) eingestellt werden, wenn also der gemessene Wert unterhalb des Referenzwerts absinkt. Die Vorteile durch eine Überhitzungserkennung mittels einer solchen Referenzkurve liegen unter anderem darin, dass lediglich geringer schaltungstechnischer Aufwand benötigt wird und dass er bei allen PWM-Frequenzen funktioniert. Andere Ausführungsbeispiele können nicht nur eine Referenzkurve, sondern mehrere Referenzkurven als
Erweiterung aufweisen, bei denen abhängig von der gewünschten Heizleistung unterschiedliche Referenzkurven vorgegeben werden.
Die vorstehenden Ausführungen werden nachfolgend noch näher erläutert. Die Regelung der Heizleistung erfolgt bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen durch Pulsweitenmodulation (PWM) der Heizstrangströme. Bei niederfrequenter PWM- Ansteuerung (z.B. fpwM = 66,6 Hz) kann der Einfluss von LRHK vernachlässigt werden, und der Verlauf der Heizstrangströme ist in guter Näherung rechteckförmig.
Da für jeden Heizstrang eine Spitzenwertstrommessung vorhanden sein kann oder ist, kann der Widerstand RRHK in jedem Heizstrang einfach als Quotient aus gemessener HV-Spannung und gemessenem Spitzenstrom bestimmt werden.
(0
Bei hochfrequenter PWM-Ansteuerung (z.B. fpwM = 3 kHz oder höher) kann der Einfluss von LRHK nicht mehr vernachlässigt werden, und der Verlauf der Heizstrangströme ist nicht mehr rechteckförmig, sondern setzt sich aus Exponentialkurven zusammen. Erschwerend kommt hinzu, dass neben der Versorgungsspannungsmessung nur eine Mittel wertstrommessung für den Summenheizstrom vorhanden ist, siehe Fig. 2, da eine Spitzenwertstrommessung für jeden Heizstrang sehr aufwändig ist.
Im Folgenden wird deshalb die Rechengröße Z eingeführt, aus der man auf RRHK rückschließen kann.
Z(t) =
Hinweis: Z(t) hat die Dimension einer Impedanz, ist aber nicht die Impedanz des Rohrheizkörpers.
Im eingeschwungenen Zustand und unter der Annahme von idealen Schaltern und Dioden, an denen der Spannungsabfall 0 V ist, gilt für Z folgender Zusammenhang:
Mit den Kenngrößen:
T = PWM-Periodendauer
v = PWM-Tastgrad
T = LRHK / RRHK
n = Anzahl der Heizstränge
Man erkennt aus dieser Gleichung, dass zwischen Z und RRHK ein komplizierter impliziter Zusammenhang besteht. Folglich kann RRHK aus Z nur numerisch berechnet werden, was einen enormen Rechenaufwand für den MikroController bedeuten würde. Eine Überhitzungserkennung lässt sich aus dem aus den Messwerten von UHv(t) und lHeiz_summe_mittei(t) berechneten Z(t) als eine qualitative Aussage bzgl. RRHK ableiten, denn es gilt: Z wird maximal, wenn RRHK maximal wird.
Außerdem lässt sich der bei normalem Heizbetrieb mögliche RRHK_ max aUS Labormessungen ermitteln, aus dem schließlich ein Referenzwert (Schwellwert) RRHK_max_ref abgeleitet werden kann.
Daraus kann eine Fehlerbedingung für die Überhitzung abgeleitet werden:
Zitess (.RRHK* V) > ZRef fäRHKjnax ref* v)
Zur Messung und Bestimmung von RRHK_max werden im Heizbetrieb die
Randbedingungen des schlechtesten Betriebsfalls eingestellt:
• Heizleistung: P Heiz soll— PHeiz max
• Durchfluss Kühlmedium: QMedium = QMedium_min
· Temperatur Kühlmedium: BMedium = eMedium_max
Vorgehensweise:
1 ) Messung des RRHK von jedem Heizstrang des Prüflings vor dem Heizbetrieb bei z.B. 25 °C Umgebungstemperatur (Temperatur, bei der die Fertigungstoleranz der RHKs spezifiziert ist) und Berechnung des daraus resultierenden
Parallelwiderstands RRHK_p(25 °C).
2) Heizbetrieb mit Gleichstrom (keine PWM-Ansteuerung) bei obigen
Randbedingungen, damit LRHK keinen Einfluss hat. Die Heizleistung wird über das Netzteil (Hochspannungsnetzteil HV) geregelt.
3) Berechnung von RRHK_P(eMedium_max) aus den Messwerten von UHV und
iHeiz Summe mittel . 4) Berechnung des Temperatur-Korrekturfaktors ce = RRHK_P(OMedium_max) / RRHK_p(25 °C).
5) Berechnung VOn RRHK_p_max(OMedium_max) = RRHK_p_max(25 °C) ce.
6) Berechnung VOn RRHK_max(9lVledium_max) = RRHK_p_max(9Medium_max) / Π.
7) Berechnung des zu verwendenden Diagnose Referenzwertes RRHK_max_ref =
RRHK_max(eMedium_max) CMess (CMess = Korrekturfaktor, der die heizerinternen
Messtoleranzen für U HV und I Heiz Summe mittel berücksichtigt).
Die Messtoleranzen zur Ermittlung von RRHK_P bei 25 °C und bei 0Medium_max sind gleich groß.
Eine Implementierung der Überhitzungserkennung kann wie folgt erfolgen:
Die obige Fehlerbedingung erfordert einen Vergleich des aus den momentanen
Messwerten berechneten Z-Wertes mit einem Referenzwert. Dieser Referenzwert hängt vom PWM-Tastgrad v ab, der allerdings veränderlich ist.
Deshalb ist es sinnvoll, eine Referenzkurve ZRef(RRHK_max_ref, v) im EEPROM des μθ 24 abzuspeichern, wobei der Wertebereich von v alle Einstellwerte umfasst, die im Heizbetrieb möglich sind. Somit wird der Rechenaufwand des μθ 24 auf die Berechnung von Z aus den Messwerten von Ui-iv(t) und lHeiz_summe_mittei(t) und eine anschließende Vergleichsoperation mit dem entsprechenden Referenzwert begrenzt. Eine verfeinerte Implementierung stellt die Verwendung von mehreren Referenzkurven mit verschiedenen RRHK max ref dar, wobei jeder RRHK_ max ref sich auf einen bestimmten r Heiz soll bezieht (z.B. 25% P Heiz max, 50% P Heiz max, 1 00% PHeiz_max). Dies hat den Vorteil, dass man den Fehlerfall Überhitzung schneller erkennt.
In Abhängigkeit von der Heizleistungsanforderung wird dann die geeignetste Z- Referenzkurve ausgewählt. Bei einer Erniedrigung der Heizleistungsanforderung wird die Abkühlzeit der RHKs berücksichtigt. D.h. solange die RHKs noch nicht im thermisch eingeschwungenen Zustand sind, kann die Diagnose deaktiviert werden, oder es wird eine geeignete Übergangsfunktion von einer Z-Referenzkurve zur nächsten Z- Referenzkurve verwendet. Die Überhitzungserkennung mit Hilfe der Z-Berechnung erfordert nur einen geringen schaltungstechnischen Aufwand und funktioniert bei allen PWM-Frequenzen.
Vorstehend sind einige Ausführungsbeispiele im Detail erläutert. Die Erfindung lässt sich auch bei anderen elektrischen Schaltungen oder Verbrauchern und nicht nur bei Heizern wie etwa Rohrheizkörpern einsetzen. Beispielsweise kann eine
Leistungssteuerung zur Steuerung des Leistungsniveaus eines Verbrauchers in der vorstehend geschriebenen Weise realisiert werden.
Bezuqszeichenliste
1 Energieversorgung
2 elektrische Vorrichtung
3 Auswertungs- / Kontrolleinrichtung
8 Leitung
10 Heizwiderstand
1 1 Widerstand
12 Induktivität
13 Diode
14 PWM-Ansteuerung
15 PWM-Schalter
16 Sicherheitsschalter
17 Ansteuerungsschaltung
18 Widerstand
19 Bezugspotential
20 Leitung
21 Messschaltung
22 Ausgangsleitung
23 Eingang
24 Auswerteschaltung
25 Eingangsanschluss
26 Widerstand
27 Widerstand
30 Heizwiderstand
31 PWM-Schalter
32 PWM-Ansteuerung
40 Heizwiderstand
41 PWM-Schalter
42 PWM-Ansteuerung

Claims

Ansprüche
1 . Elektrische Vorrichtung, mit mindestens einem Heizwiderstand (1 1 ), mindestens einer PWM-Ansteuerschaltung (14, 32, 42) zur Ansteuerung des mindestens einem Heizwiderstands (1 1 ), einer Messschaltung (18, 21 ), die dazu ausgelegt ist, einen mittleren Wert des durch den mindestens einen Heizwiderstand (1 1 ) fließenden Stroms zu ermitteln, und einer Auswerteschaltung (24) zur Erfassung einer an den mindestens einen Heizwiderstand (1 1 ) angelegten Spannung oder eines hiervon abhängigen Spannungswerts und des durch die Messschaltung 21 ermittelten mittleren Werts des durch den mindestens einen Heizwiderstand (1 1 ) fließenden Stroms, wobei die
Auswerteschaltung dazu ausgelegt ist, aus der Spannung bzw. dem Spannungswert und dem von der Messschaltung (18, 21 ) ermittelten Wert eine Rechengröße (Z(t)) zu ermitteln und mit einem Referenzwert (ZRef) zu bewerten, optional zu vergleichen, um Fehler zu erkennen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , mit einem Widerstand (18), insbesondere einem Messwiderstand, der mit einer Leitung (20) verbunden ist, über die der oder die Ströme des mindestens einen Heizwiderstands (10, 30, 40) führbar sind, wobei die
Messschaltung (21 ) als Mittelwert-Strommessschaltung ausgelegt ist, die mit den beiden Anschlüssen des Widerstands (18) verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die mindestens eine PWM- Ansteuerschaltung (14, 32, 42) dazu ausgelegt ist, eine niederfrequente Ansteuerung von unter 100 Hz, beispielsweise 33,3 Hz oder 66,6 Hz, oder eine hochfrequente Ansteuerung vorzugsweise oberhalb von 1 kHz, optional 3 kHz oder optional mehr als 3 kHz auszuführen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die
Auswerteschaltung (24) dazu ausgelegt ist, die Rechengröße (Z) durch Division der an die Heizwiderstände angelegten Spannung oder des hiervon abhängigen
Spannungswerts durch die Summe der Heizströme zu ermitteln.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mindestens zwei, optional unabhängig voneinander steuerbare Heizwiderstände (10, 30, 40), und mindestens zwei PWM-Ansteuerungen (14, 32, 42) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die
Rechengröße (Z) gemäß der Gleichung
ermittelt wird, wobei gilt:
T = PWM-Periodendauer
v = PWM-Tastgrad
τ = LRHK / RRHK
n = Anzahl der Heizstränge
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Speicher, in dem mindestens eine Referenzkurve aus mehreren Referenzwerten gespeichert ist, die Wertebereiche für mehrere, während des Betriebs mögliche Einstellwerte umfasst, wobei vorzugsweise mehrere Referenzkurven für unterschiedliche, durch einen
Benutzer wählbare Einstellbedingungen gespeichert sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dazu ausgelegt ist bei Erniedrigung einer Heizleistungsanforderung eine Auswertung für einen gewissen Zeitraum zu deaktivieren oder eine geänderte Referenzkurve auszuwählen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Leitung (20) die gemeinsam mit Ausgängen der PWM-Ansteuerungen (14, 32, 42) und der
Messschaltung verbunden ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Schalter (16) zur statischen Ein- und Ausschaltung des mindestens einen Heizwiderstands (1 1 ).
1 1 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Auswerteschaltung (24) als MikroController μθ ausgebildet ist.
12. Verwendung der elektrischen Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche als Heizer, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
13. Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Vorrichtung, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , bei dem mindestens ein Heizwiderstand betrieben wird,
ein Mittelwert aus dem Heizstrom oder aus der Summe der gleichzeitig
auftretenden Heizströme gebildet wird,
eine an den mindestens einen Heizwiderstand angelegte Spannung oder ein hiervon abhängiger Spannungswert erfasst wird, und
eine Rechengröße aus dem Mittelwert und der Spannung gebildet und mit einem Referenzwert verglichen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem mehrere Referenzkurven für mehrere
Referenzwerte in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen, beispielsweise gewählter Leistungswerte ermittelt und gespeichert werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei der eine PWM-Ansteuerung von Heizwiderständen ausgeführt wird, die optional als PTC-Heizwiderstände ausgebildet werden.
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