DE19642442A1 - Heizsystem für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Heizsysteme werden in Kraftfahrzeugen für unterschiedliche Anwendungen benötigt, bspw. zur Temperierung (Erwärmung) der Raumluft, zur Vorheizung des Kühlwassers bei wassergekühlten Motoren, zum Vorglühen der Zündker­ zen bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen, zur Erwärmung von Kraft­ stoff (Diesel) etc.

Üblicherweise bestehen derartige Heizsysteme aus einer Heizung mit mindestens einer Heizstufe, die jeweils mindestens ein (bspw. als Heizwiderstand ausgebildetes) Heizelement zur Erzeugung einer bestimm­ ten Heizleistung aufweisen sowie aus einer Kontrolleinheit zur Überwa­ chung des zeitlichen Ablaufs und zur Vorgabe der Heizleistung; Heizung und Kontrolleinheit sind als getrennte Module (Funktionseinheiten) ausgebildet und an verschiedenen Stellen innerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet.

Nachteilig hierbei ist, daß zum einen eine Vielzahl von Verbindungsleitungen zwischen Heizung und Kontrolleinheit erforderlich ist (verbunden mit Platz­ bedarf, Kosten, EMV-Problematik) und daß zum andern die in der Kontroll­ einheit entstehende Verlustleistung extra abgeführt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Heizsystem für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 anzugeben, bei dem diese Nachteile vermieden werden und das demgegenüber vorteil­ hafte Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Heizsystems sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.

Beim vorgestellten Heizsystem ist die mindestens eine Heizstufe aufweisen­ de Heizung als Regelstrecke eines Regelkreises ausgebildet, die zusammen mit der Regeleinrichtung des Regelkreises in ein gemeinsames Gehäuse inte­ griert wird. Bei diesem Regelkreis soll die Heizleistung der Heizung (d. h. der Heizstufe/n) als Regelgröße geregelt werden; jedoch wird anstelle der ei­ gentlichen Regelgröße Heizleistung oftmals vorzugsweise eine die Heizlei­ stung bestimmende Größe als tatsächliche Regelgröße herangezogen, d. h. es wird entweder der Strom durch die Heizstufe/n bzw. die Heizelemente (der Heizstrom) oder die Spannung an der/n Heizstufe/n bzw. den Heizele­ menten (die Heizspannung) geregelt. Bei diesem (beispielsweise spannungs­ gesteuerten) Regelkreis wird der Sollwert der die Heizleistung bestimmen­ den Größe (beispielsweise die Heizspannung) vorgegeben, dieser Sollwert mit dem Istwert der die Heizleistung bestimmenden Größe (beispielsweise die Heizspannung) verglichen, und Abweichungen zwischen Sollwert und Ist­ wert (die Regelabweichung bzw. Regeldifferenz) selbsttätig durch Rückkopplung innerhalb des Regelkreises minimiert.

Als Regeleinrichtung wird vorzugsweise mindestens ein Linearregler einge­ setzt; derartige Linearregler (stetige Regler) besitzen in ihrem Regelverlauf keine Unstetigkeiten (im Gegensatz zu einem geschalteten Regler). Beim Ein­ satz mehrerer Linearregler werden diese derart kaskadiert parallelgeschal­ tet, daß immer nur jeweils einer der Linearregler im Linearbetrieb betrieben wird und somit das Regelverhalten bestimmt.

Der Sollwert der Regelgröße Heizleistung bzw. der die Heizleistung bestim­ menden Größe kann entweder mittels einer Führungsgröße variiert werden, die bspw. mittels eines dem Regelkreis zugeführten externen Eingangssignals generiert wird oder aber mittels eines (bspw. im Regelkreis erzeugten) direk­ ten Steuersignals für die Heizleistung bzw. für die die Heizleistung bestim­ mende Größe.

Die die Regelgröße Heizleistung bzw. die die Heizleistung bestimmende Grö­ ße erzeugenden Heizelemente der Heizstufe/n der Heizung (Regelstrecke) sind vorzugsweise als Heizwiderstände ausgebildet.

Vorzugsweise sind die Halbleiterbauelemente der Regeleinrichtung, insbe­ sondere deren Leistungstransistoren, zur Reduzierung des thermischen Wi­ derstands auf einem gemeinsamen Trägerkörper mit hoher Wärmeleitfä­ higkeit (bspw. auf einer Kupferplatte) aufgebracht.

Das Heizsystem kann zur Beheizung von an einen Kreislauf gebundenen Me­ dien, d. h. der in einem Wärmekreislauf und/oder in einem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs befindlichen Medien (bspw. Wasser, Luft, Öl etc.) verwendet werden (bspw. für die Kühlwasserbeheizung des Kraftfahrzeugs); alternativ auch zur Beheizung von nicht an einen Kreislauf gebundenen Medien (bspw. für die Innenraumbeheizung des Kraftfahrzeugs).

Das vorgestellte Heizsystem vereinigt mehrere Vorteile in sich:
Durch die Integration des Regelkreises aus Regeleinrichtung (Linearregler) und Regelstrecke (Heizung aus Heizstufe/n mit Heizelementen) in einem Ge­ häuse

• - ist das Heizsystem als kompakte funktionsfähige Einheit realisierbar,
• - ist keine Abstimmung zwischen der Heizung und einer Kontrolleinheit er­ forderlich,
• - besteht nur ein geringer Aufwand für externe Anschlüsse, die Heizele­ mente der Heizstufe/n müssen seitens des Anwenders nicht mehr ange­ schlossen werden,
• - wird die Verlustleistung (der Halbleiterbauelemente) der Regeleinrich­ tung zum Heizen mitverwendet, wodurch man außerdem einen linearen Zusammenhang zwischen dem Heizstrom und der Heizleistung erhält.

Durch die Realisierung der Regeleinrichtung mittels eines Linearreglers oder mittels mehrerer (parallelgeschalteter) Linearregler, von denen jeweils nur einer im Linearbetrieb betrieben wird

• - werden Schaltvorgänge vermieden und demzufolge auch die durch Schaltvorgänge bedingten Störungen der Regelung (Auftreten von Tot­ bereichen, Überlappungen, Hysteresen, undefinierten Zuständen etc.),
• - werden EMV-Störungen weitgehend vermieden, so daß keine kostenin­ tensiven Bauelemente zur Beseitigung der EMV-Problematik benötigt werden.

Durch den Aufbau der Halbleiterbauelemente der Regeleinrichtung auf ei­ nem gemeinsamen Trägerkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist eine Re­ duzierung des thermischen Widerstands der Halbleiterbauelemente der Re­ geleinrichtung (beispielsweise der Linearregler) und damit der Temperatur­ belastung der Halbleiterbauelemente der Regeleinrichtung gegeben.

Im folgenden ist das erfindungsgemäße Heizsystem für das Ausführungsbei­ spiel der Kühlwasserbeheizung eines Kraftfahrzeugs im Zusammenhang mit der Zeichnung (Fig. 1 bis 5) beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Regelkreises,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des Regelkreises,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Heizsystems,

Fig. 4 eine Schnittzeichnung des in einen Kühlkreislauf (bspw. den Kühlwasserkreislauf) des Kraftfahrzeugs integrierten Heizsy­ stems, und

Fig. 5 eine Anordnung der Halbleiterbauelemente der Regeleinrich­ tung.

Die Heizleistung der Heizelemente des Heizsystems soll für die Kühlwasser­ beheizung (Vorheizung des Kühlwassers) sowohl dynamisch aus auch statisch mit minimalen Fehler eingestellt bzw. vorgegeben werden.

Gemäß Fig. 1 wird hierzu innerhalb des spannungsgesteuerten Regelkrei­ ses RK aus Regeleinrichtung 1, Regelstrecke 2 (Heizung aus mindestens einer Heizstufe mit jeweils mindestens einem Heizelement) und Sollwerteinsteller 31 die Heizleistung als Regelgröße RG mittels der Stellgröße SG Spannungs­ abfall an der Heizung 2 (Heizspannung) geregelt. Hierzu wird über den bei­ spielsweise mittels des Steuersignals SS aktivierbaren/deaktivierbaren Soll­ werteinsteller 31 (bspw. mittels eines externen Steuersignals GS) eine Füh­ rungsgröße FG erzeugt und diese als Sollwertvorgabe der Regelgröße RG dem Vergleicher 32 zugeführt; vom Vergleicher 32 wird diese Sollwertvor­ gabe der Regelgröße RG mit dem (rückgeführten) Istwert der Regelgröße RG verglichen und anhand dieses Vergleichs die Regeldifferenz RD bzw. die Re­ gelabweichung gebildet. Diese Regeldifferenz RD bzw. Regelabweichung wird der Regeleinrichtung 1 (bspw. mindestens ein Linearregler) zugeführt wird der Regeleinrichtung 1 (bspw. mindestens ein Linearregler) zugeführt und von dieser die Stellgröße SG Heizspannung generiert. Mittels der Stell­ größe SG wird die Regelstrecke 2 (Heizung) beaufschlagt und hierdurch von der Heizung 2 (den Heizstufen bzw. den Heizelementen der Heizstufen) eine bestimmte Heizleistung als (Istwert der) Regelgröße RG erzeugt. Die Heizlei­ stung als Regelgröße RG wird zum einem am Ausgang des Regelkreises RK als Ausgangssignal AS ausgegeben (dem Kühlwasserkreislauf des Kraftfahrzeugs zugeführt) und hierdurch eine Heizung des Kühlwassers vorgenommen und zum andern in der Rückkopplungsschleife des Regelkreises RK dem Verglei­ cher 32 als Istwert zugeführt.

Anstelle der eigentlichen Regelgröße RG Heizleistung wird aus Gründen der Einfachheit als Regelgröße RG eine der beiden die Heizleistung bestimmen­ de Größe verwendet, d. h. entweder der Strom durch die Heizung 2 bzw. die Heizstufen (Heizstrom) oder der Spannungsabfall an der Heizung 2 bzw. den Heizstufen (Heizspannung); wird beispielsweise die Heizspannung als Regel­ größe RG verwendet, so ist in diesem Falle die Regelgröße RG mit der Stell­ größe SG identisch.

Gemäß Fig. 2 ist die Heizung 2 mittels dreier parallelgeschalteter, jeweils ein Heizelement aufweisenden Heizstufen 21, 22, 23 realisiert; die Heizele­ mente der Heizstufen 21, 22, 23 sind bspw. als Heizwiderstände ausgebildet und zwischen Versorgungsspannung V_s (bspw. +12 V) und Bezugspotential GND geschaltet. Die Regeleinrichtung 1 ist mittels dreier parallelgeschalteter Linearregler 11, 12, 13 realisiert, wobei jede Heizstufe 21, 22, 23 bzw. jedes Heizelement mit dem Ausgang eines Linearreglers 11, 12, 13 verbunden ist und so mit einer bestimmten Stellgröße SG (SG1, SG2, SG3) als Spannungs­ abfall an der Heizstufe 21, 22, 23 bzw. dem Heizelement (Heizspannung) be­ aufschlagt wird. Die Heizleistung bzw. die Heizspannung als rückgeführte Re­ gelgröße RG (RG1, RG2, RG3) wird dem Vergleicher 32 aus drei Vergleichsele­ menten 321, 322, 323 zugeführt, wobei jedem Linearregler 11, 12, 13 ein Ver­ gleichselement 321, 322, 323 zugeordnet ist; die Vergleichselemente 321, 322, 323 sind so ausgebildet, daß jeder Linearregler 11, 12, 13 mit einer be­ stimmten Regeldifferenz RD1, RD2, RD3 derart beaufschlagt wird, daß jeder Linearregler 11, 12, 13 einen anderen Regelbereich aufweist (es wird nur je­ weils einer der Linearregler 11, 12, 13 im Linearbetrieb betrieben) und hier­ durch eine kontinuierliche Regelung der Heizleistung ohne Totbereiche, Überlappungen oder Unstetigkeiten (Hysterese, Sprungstellen) im Regelver­ lauf erfolgt. Die die Sollwertvorgabe bestimmende Führungsgröße FG wird mittels des Sollwerteinstellers 31 bspw. in Abhängigkeit des Auslastungsgrads des Generators des Kraftfahrzeugs generiert; bspw. wird die Führungsgröße FG und damit die Sollwertvorgabe für die Heizleistung in Abhängigkeit der vom Generator noch zur Verfügung stellbaren Ausgangsleistung mittels ei­ nes extern zugeführten Generatorsignals GS variiert - bspw. wird die Heizlei­ stung so geregelt, daß der Generator kurz vor seinem Leistungsmaximum betrieben wird (bspw. bei 95% der maximalen Leistung). Mittels eines dem Sollwerteinsteller 31 zugeführten Steuersignals SS wird der Regelkreis RK freigegeben oder gesperrt (die Regelung aktiviert oder deaktiviert). Da die als Heizelemente verwendeten Heizwiderstände der Heizstufen 21, 22, 23 gegen Bezugspotential GND (Masse) geschaltet sind und die über diesen Heizwiderständen abfallende Spannung (die Heizspannung) als Stellgröße verwendet wird, sind keine Strommeßwiderstände erforderlich; weiterhin ist die Regelung auch unempfindlich gegenüber Toleranzen der Wider­ standswerte, der Regelkreis RK kann somit ohne Abgleich auch mit hochoh­ migen Heizwiderständen der Heizstufen 21, 22, 23 und mit unterschiedli­ chen Widerstandswerten der Heizwiderstände der Heizstufen 21, 22, 23 rea­ lisiert werden.

Gemäß Fig. 3 mit einer perspektivischen Darstellung des Heizsystems ist der Regelkreis RK aus (der nicht sichtbaren) Regeleinrichtung 1 und der Hei­ zung 2 (Heizstufen 21, 22, 23) in einem Gehäuse 4 integriert. Die Rippen 53 dienen zur Vergrößerung der Oberfläche an der Stelle, wo die Verlustlei­ stung der Leistungs-Halbleiterbauelemente der Regeleinrichtung 1 entsteht und damit zur Erhöhung der Heizwirkung. Der Anschluß des Regelkreises RK für das Bezugspotential GND (der Masseanschluß) kann über das Gehäuse 4 geführt werden, so daß außer den Signalleitungen nur der Anschluß für die Versorgungsspannung V_s vorgesehen werden muß.

Gemäß Fig. 4 ist das Gehäuse 4 des Heizsystems zur definierten Vorheizung des (Kühl)Mediums 52 des Kühlkreislaufs 5 eines (bspw. wassergekühlten) Kraft­ fahrzeugs derart in der Aufnahmevorrichtung 51 des Kühlkreislaufs 5 ange­ ordnet, daß die Heizung 2 mit den Heizstufen 21, 22, 23 bzw. Heizelementen ins Kühlmedium 52 (bspw. Wasser) eintaucht und somit vom Kühlmedium 52 umströmt wird. Das Gehäuse 4 weist ein Anschlußteil 45 für Signalleitungen auf, mittels dem dem Heizsystem externe Signale zugeführt werden können (bspw. das Steuersignal SS oder das Generatorsignal GS) oder vom Heizsystem Ausgangssignale zur Verfügung gestellt werden. Die Halbleiterbauelemente der Regeleinrichtung 1 (bspw. der Linearregler 11, 12, 13), insbesondere die Leistungs-Halbleiterbauelemente (bspw. Leistungstransistoren) sind auf einem gemeinsamen gut wärmeleitenden Trägerkörper 42 (bspw. eine Kupferplatte) aufgebracht, der oberhalb der Rippen 53 angeordnet ist; die Verbindung zwischen (den Halbleiterbauelementen) der Regeleinrichtung 1 und (den Heizelementen 21, 22, 23) der Heizstufe 2 erfolgt mittels mindestens einer Kontaktverbindung 24.

Da die Heizelemente der Heizstufen 21, 22, 23 (die Heizwiderstände) gegen Bezugspotential GND (Masse) geschaltet sind und die Gehäuse der Leistungs- Halbleiterbauelemente (bspw. der Leistungstransistoren) der Regeleinrichtung 1 somit alle auf gleichem Potential (Versorgungsspannung V_s) liegen, können die Halbleiterbauelemente der Regeleinrichtung 1 auf einen gemeinsamen Trägerkörper 42 aufgebracht werden. Gemäß Fig. 5 ist dieser gemeinsame Trägerkörper 42 auf dem Gehäuse 4 (oberhalb der Rippen 53) angeordnet; zwischen Trägerkörper 42 und Gehäuse 4 ist eine Isolationsschicht 43 zur elektrischen Isolation von Trägerkörper 42 und Gehäuse 4 vorgesehen. Da immer nur jeweils einer der Linearregler 11, 12, 13 im Linearbetrieb betrie­ ben wird (und daher nur bei diesem Linearregler eine große Verlustleistung entsteht), die jeweils anderen Linearregler 11, 12, 13 dagegen entweder de­ aktiviert sind (keine Verlustleistung) oder im Sättigungsbetrieb betrieben werden (verbunden mit einer geringen Verlustleistung), wird durch den ge­ meinsamen Trägerkörper 42 der wirksame thermische Widerstand für den jeweiligen Linearregler 11, 12,13 im Linearbetrieb entsprechend der Anzahl der vorgesehenen Linearregler 11, 12, 13 der Regeleinrichtung 1 und damit die Temperaturbelastung der Halbleiterbauelemente (insbesondere der Lei­ stungstransistoren) der Regeleinrichtung 1 reduziert.

Das Heizsystem ist jedoch nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt; bspw. können die Heizelemente der Heizstufe auch mittels PTC- Elementen realisiert werden. Anstelle einer Kühlwasserbeheizung kann das Heizsystem auch für andere Anwendungsfälle im Kraftfahrzeug (entweder kreislaufgebunden oder nicht-kreislaufgebunden) eingesetzt werden, bspw.

kreislaufgebunden oder nicht-kreislaufgebunden) eingesetzt werden, bspw. für die Erwärmung der Luft (Innenraumbeheizung) oder zur Vorheizung von (Diesel-)Kraftstoff.

Claims (10)

1. Heizsystem für Kraftfahrzeuge mit einer Heizung (2) aus mindestens einer, jeweils mindestens ein Heizelement aufweisenden Heizstufe (21, 22, 23), da­ durch gekennzeichnet,

• - daß das Heizsystem als Regelkreis (RK) aus der die Regelstrecke bildenden Heizung (2) und einer Regeleinrichtung (1) ausgebildet ist,
• - und daß der Regelkreis (RK) aus Regeleinrichtung (1) und Heizung (2) in ei­ nem Gehäuse (4) integriert ist.

2. Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Re­ gelkreises (RK) die Heizleistung der Heizung (2) oder eine die Heizleistung der Heizung (2) bestimmende Größe regelbar ist.

3. Heizsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Re­ geleinrichtung (1) mindestens einen Linearregler (11, 12, 13) aufweist.

4. Heizsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelein­ richtung (1) mindestens zwei parallelgeschaltete Linearregler (11, 12, 13) auf­ weist.

5. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente der Regeleinrichtung (1) auf einem gemein­ samen, gut wärmeleitenden Trägerkörper (42) angeordnet sind.

6. Heizsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger­ körper (42) als Kupferplatte ausgebildet ist.

7. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente der Heizstufe/n (21, 22, 23) der Heizung (2) als Heizwi­ derstände ausgebildet sind.

8. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Verwendung für die Be­ heizung eines in einem Wärmekreislauf oder/und Kühlkreislauf des Kraft­ fahrzeugs befindlichen Mediums.

9. Heizsystem nach Anspruch 8 zur Verwendung für die Kühlwasserbehei­ zung des Kraftfahrzeugs.

10. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Verwendung für die Raumluftheizung des Innenraums des Kraftfahrzeugs.