DE19845401A1

DE19845401A1 - Electrical heating element, especially PTC heating element, has one heating resistance of resistance bank connected via power switch to battery voltage with pulse width modulation

Info

Publication number: DE19845401A1
Application number: DE1998145401
Authority: DE
Inventors: Andreas Ebner; Juergen Mittnacht
Original assignee: Micro Compact Car Smart GmbH
Current assignee: Micro Compact Car Smart GmbH
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1998-10-02
Publication date: 2000-04-20

Abstract

The heating element (1) has a bank of resistors made up of individual heating resistors (R1,R2,Rn,Rp) that can be connected to by a control unit via switching elements (7) to battery voltage (8) according to the available generator power. One heating resistance (Rp of the electrical heating element can be connected via a power switch (9) to the battery voltage with pulse width modulation.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement gemäß den gattungsbildenden Merkmalen des Anspruchs 1.The invention relates to an electric heating element according to the Generic features of claim 1.

Ein gattungsgemäßes elektrisches Heizelement ist beispielsweise aus der EP 0 837 381 A2 bekannt. Das elektrische Heizelement weist wenigstens zwei elektrische Heizwiderstände auf, deren Heizleistung von einer Regeleinrichtung eingestellt wird, die eine Mehrzahl von Reglern aufweist, denen jeweils einer der elektrischen Heizwiderstände zugeordnet ist. Der Regelbereich ist auf den Regler aufgeteilt und es ist jedem der Regler ein anderer Regelbereich zugeordnet. Jeder der Regler umfaßt einen Linearregler und ein Vergleichselement, wobei das Vergleichse lement dem Linearregler eine Regeldifferenz aus der Führungs größe und dem Istwert der resultierenden Regelgröße zuleitet. Der gesamte Heizbereich wird in eine beliebige Zahl von Teil- Regelbereichen aufgeteilt, um so beispielsweise die mittlere Reglerverlustleistung niedrig zu halten. Die von außen vorgege bene Soll-Heizleistung wird dazu zunächst dem niedrigsten der Regelbereiche zugeführt. Für einen nahtlosen, d. h. kontinuier lichen Übergang der Regelbereiche wird den Reglern für die nächst höheren Regelbereiche jeweils nur die Differenz aus der dem jeweils nächst niedrigen Regler zugeführten Sollgröße und der von diesem daraufhin erzeugten Stellgröße zugeführt. Wird die Regelgrenze des ersten Reglers erreicht, wird der erste Regler zu 100% zugeschaltet und der zweite Regler aktiviert.A generic electrical heating element is for example known from EP 0 837 381 A2. The electric heating element has at least two electrical heating resistors, the Heating power is set by a control device that has a plurality of controllers, each of which one of the electrical heating resistors is assigned. The control range is divided into the controller and each of the controllers is one assigned to another control area. Each of the controllers includes one Linear controller and a comparator, the comparator element of the linear controller a control difference from the guide size and the actual value of the resulting controlled variable. The entire heating area is divided into any number of Control ranges divided, for example the middle Keep controller power loss low. The given from the outside The desired heating output is initially the lowest of the Control ranges fed. For a seamless, i.e. H. continuous transition of the control ranges is the controller for the next higher control ranges only the difference from the the setpoint supplied to the next lowest controller and the manipulated variable then generated by this. Becomes If the control limit of the first controller is reached, the first becomes Controller switched on 100% and the second controller activated.

Bei dieser Art eines elektrischen Heizelementes ist nachteilig, daß das Regeln der Heizleistung mit einem Linearregler zu einer Verlustleistung führt, so daß der zur Verfügung stehende Gene ratorstrom nicht vollständig zur Heizung umgesetzt werden kann, da ein Teil in Verlustwärme umgewandelt wird. Es besteht die Möglichkeit nur einen Regler im Linearbetrieb zu betreiben und die anderen Regler entweder deaktiviert sind oder im Sätti gungsbetrieb betrieben werden. Die Regler, die im Sättigungsbe trieb betrieben werden, weisen eine geringe Verlustleistung auf. Diese Verlustwärme muß aber trotzdem abgeführt werden. Insbesondere wenn im unteren Drehzahlbereich wenig Generator leistung zur Verfügung steht, wie bei Kurzstrecken- und Stop-and-go-Fahrten, kann die geringe zur Verfügung stehende Genera torleistung zur Beheizung nicht optimal umgesetzt werden.This type of electrical heating element has the disadvantage that that regulating the heating power with a linear regulator to a Power loss leads, so that the available genes rator current cannot be fully converted for heating, because part is converted into heat loss. There is the Possibility to operate only one controller in linear mode and the other controllers are either deactivated or in the satti be operated. The controls in the saturation area drive operated, have a low power loss on. This heat loss must still be dissipated. Especially when there is little generator in the lower speed range performance is available, as for short-haul and Stop-and-go trips can be the low genera available gate power for heating are not optimally implemented.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektri sches Heizelement, das aus einzelnen Widerständen aufgebaut ist, so auszulegen, daß die zur Verfügung stehende Generator leistung optimal zur Heizung der Heizwiderstände verwendet wer den kann und dabei sehr wenig Verlustleistung aufweist.The invention is therefore based on the object of an electri cal heating element made up of individual resistors is to be interpreted so that the generator available performance optimally used for heating the heating resistors can and has very little power loss.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des Er findungsgegenstandes sind durch die Merkmale der Unteranspruche gekennzeichnet.According to the invention the task is characterized by the features of the spell 1 solved. Advantageous training and further education of the Er are subject of the invention by the features of the subclaims featured.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltungen liegt darin, daß insbesondere bei Kurzstrecken- und Stop-and-go-Fahrten, wo im unteren Drehzahlbereich wenig elektrische Leistung zur Ver fügung steht, die einzelnen Widerstände optimal angesteuert werden, um maximale Heizleistung zu erhalten. Der über einen Leistungsschalter, der pulsweitenmoduliert angesteuert wird, an Batteriespannung gelegte Heizwiderstand ermöglicht eine konti nuierliche Steigerung der Heizleistung entsprechend einer vom Generator erzeugten Leistung, ohne daß die Batterie unnötig be lastet wird. Diese pulsweitenmodulierte Ansteuerung weist eine elektromagnetische Abstrahlung auf, die in Wechselwirkung zu anderen elektrischen Verbrauchern treten könnte. Es wird aber immer nur ein Reizwiderstand über einen pulsweitenmoduliert an gesteuerten Leistungsschalter an Batteriespannung gelegt, so daß im Vergleich zur Gesamtleistung des elektrischen Heizele mentes anteilig geringe elektromagnetische Abstrahlung erzeugt wird. Die Ansteuerung der pulsweitenmodulierten Schaltfrequenz erfolgt unter EMV-minimierenden Maßnahmen. Die Schaltfrequenz wird in sehr niedrige Frequenzbereiche zwischen 10 und 40 Hz verlagert und die Anstiegsgeschwindigkeit der Schaltflanken sehr gering gehalten. Die Einschaltrampe beträgt zwischen 4 und 10 ms. Dadurch wird eine Regleriritation des Generators und al ler Bordnetzsteuergeräte vermieden.A major advantage of these designs is that that especially where short-haul and stop-and-go trips where little electrical power available in the lower speed range the individual resistors are optimally controlled to get maximum heating power. The one Circuit breaker, which is controlled by pulse width modulation, on The heating voltage of the battery voltage enables a continuous Nuclear increase in heating output according to one of the Generator generated power without the battery unnecessarily is burdened. This pulse width modulated control has one electromagnetic radiation that interacts too other electrical consumers. But it will only one stimulus resistance via a pulse width modulated on controlled circuit breaker connected to battery voltage, see above that compared to the total power of the electric heater generated proportionately low electromagnetic radiation becomes. The control of the pulse width modulated switching frequency takes place under EMC-minimizing measures. The switching frequency is in very low frequency ranges between 10 and 40 Hz shifted and the rising speed of the switching edges kept very low. The switch-on ramp is between 4 and 10 ms. Thereby a controller irritation of the generator and al Avoided on-board power supply control units.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in Ver bindung mit einer Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigtThe invention is based on an embodiment in Ver binding explained in more detail with a figure description. It shows

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild zur Veranschaulichung der Rege lung der Heizung; Fig. 1 is a block diagram illustrating the regulation of the heating;

Fig 2 eine Tabelle zur Zuschaltung der Heizwiderstände ent sprechend gewünschter Heizleistung, sowieFig. 2 is a table for connecting the heating resistors accordingly desired heating power, and

Fig. 3 zwei Tabellen Generatorleistung über Leistung der Wi derstände mit ihrer Ansteuerung. Fig. 3 two tables generator power over performance of the Wi resistors with their control.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild zur Verdeutlichung der Rege lung einzelner Heizwiderstände eines elektrischen Heizelementes 1 entsprechend einer vom Generator G vorgegebenen Leistung. Das elektrische Heizelement 1 ist aus n + 1 Heizwiderständen aufge baut. Ihre jeweilige Einzelleistung ergibt aufsummiert die Ge samtleistung des gesamten elektrischen Heizelementes 1. Eine Steuereinheit steuert die elektrischen Schalter 7, die die ein zelnen Heizwiderstände n an Batteriespannung 8 legen. Hierzu werden über verschiedene Parameter, wie eine Sollwertvorgabe, eine Motordrehzahl d und ein Generatorlastsignal D eine Soll wertkennlinie vorgegeben. Ein Komparator Kn vergleicht den vom Generator vorgegebene Leistung und den für den Heizwiderstand benötigte Leistung und steuert den elektrischen Schalter 7, der den Heizwiderstand Rn an Batteriespannung 8 legt. Bei geringe rem Generatorlastsignal D wird ein Widerstand Rp über einen pulsweitenmodulierten Leistungsschalter 9 an Batteriespannung 8 gelegt. Über einen Vergleicher 6 wird der vom Generator vorge gebene Strom mit den Strömen der an Batteriespannung 8 gelegten Heizwiderstände Rn verglichen und bei noch überschüssigem Gene ratorstrom der Leistungsschalter pulsweitenmoduliert angesteu ert. Bei Anlegen eines Widerstandes Rp über einen pulsweitenmo dulierten Leistungsschalter 9 an Batteriespannung 8 wird über die Pulsbreite die Leistung des Heizwiderstandes von 0 bis ma ximal ausgelegter Leistung Pp variiert. Die Widerstände können gleiche und auch unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen. Zur Vermeidung von Leistungslücken sind die Heizwiderstände R1 bis Rn gleich auslegbar. Der elektrische Heizwiderstand Rp wird insbesondere bei geringer Generatorleistung, also bei Kurz strecken- und Stop-and-Go-Fahrten, an Batteriespannung gelegt. Der Heizwiderstand Rp des elektrischen Heizelementes 1, der über einen Leistungsschalter 9 an Batteriespannung 8 gelegt werden kann, der pulsweitenmoduliert angesteuert wird, ist an einem Ort größter Luftdurchströmung angeordnet. Die Wärme, die am Heizelement entsteht, wird effizient und schnell abgeführt, wenn das Heizelement von Luft umströmt wird. Diese Luft wird dann zum Heizen des Innenraums in das Fahrzeug geleitet, wenn das elektrische Heizelement als Zusatzheizer vorgesehen ist. Das elektrische Heizelement kann aber auch andere Heizfunktio nen erfüllen, wie die Beheizung eines Flüssigkeitskühlkreislau fes. Fig. 1 shows a basic circuit diagram to illustrate the regulation of individual heating resistors of an electrical heating element 1 in accordance with a power predetermined by the generator G. The electric heating element 1 is built up of n + 1 heating resistors. Their respective individual output adds up to the total output of the entire electrical heating element 1 . A control unit controls the electrical switches 7 , which place the individual heating resistors n on the battery voltage 8 . For this purpose, a setpoint characteristic curve is specified via various parameters, such as a setpoint specification, an engine speed d and a generator load signal D. A comparator Kn compares the power specified by the generator and the power required for the heating resistor and controls the electrical switch 7 , which applies the heating resistor Rn to the battery voltage 8 . When the generator load signal D is low, a resistor Rp is applied to the battery voltage 8 via a pulse-width-modulated circuit breaker 9 . One of the from the generator passed stream with the currents of the set of battery voltage 8 heating resistors Rn is compared via a comparator 6, and in yet excess genes of the circuit breaker ratorstrom pulse width modulated ert angesteu. Upon application of a resistor Rp via a pulsweitenmo dulierten power switch 9 to battery 8 is the pulse width varies the power of the heating resistor from 0 to the maximum power Pp. The resistors can have the same and also different resistance values. To avoid performance gaps, the heating resistors R1 to Rn can be designed the same way. The electrical heating resistor Rp is connected to the battery voltage in particular when the generator power is low, that is to say during short distances and stop-and-go trips. The heating resistor Rp of the electrical heating element 1 , which can be connected to the battery voltage 8 via a circuit breaker 9 and which is controlled by pulse width modulation, is arranged at a location with the greatest air flow. The heat generated at the heating element is dissipated efficiently and quickly when air flows around the heating element. This air is then fed into the vehicle for heating the interior if the electric heating element is provided as an additional heater. The electric heating element can also fulfill other heating functions, such as heating a liquid cooling circuit.

Fig. 2 zeigt zur Verdeutlichung eine Tabelle, in welcher die Generatorleistung P über der Leistung der Widerstände Pn aufge führt ist. Zur Erzielung einer bestmöglichen Ausnutzung der Ge neratorleistung wird ein Widerstand Rp über einen pulsweitenmo dulierten Leistungsschalter 9 an Batteriespannung 8 gelegt wie in Fig. 1 beschrieben. Diese Art der Ansteuerung erfolgt immer dann, wenn die Generatorleistung P um einen Anteil größer ist als die Gesamtleistung eines oder mehrerer zugeschalteter Heizwiderstände. Wenn genügend Generatorleistung P für die vol le Heizleistung P1 des Heizwiderstandes R1 zur Verfügung steht, wird der Heizwiderstand R1 mit seiner Gesamtleistung P1 an Bat teriespannung 8 gelegt. Es wird immer nur ein Heizwiderstand Rp über einen pulsweitenmoduliert angesteuerten Leistungsschalter 9 an Batteriespannung 8 gelegt. Die anderen Heizwiderstände R1 sind mit ihrer Leistung an die Batteriespannung 8 angelegt oder vollständig abgekoppelt. Die Gesamtleistung P der Lastelemente ergibt sich aus der Summe der fest eingeschalteten und des ei nen Heizwiderstandes Rp, das über einen pulsweitenmoduliert an gesteuerten Leistungsschalter 9 an Batteriespannung 8 gelegt ist. Fig. 2 shows a table in which the generator power P is above the power of the resistors Pn leads to clarification. To achieve the best possible utilization of the generator power, a resistor Rp is applied to the battery voltage 8 via a pulse-width modulated circuit breaker 9 , as described in FIG. 1. This type of control always occurs when the generator power P is larger by a proportion than the total power of one or more connected heating resistors. If enough generator power P is available for the full heating power P1 of the heating resistor R1, the heating resistor R1 is connected with its total power P1 to battery voltage 8 . Only one heating resistor Rp is connected to battery voltage 8 via a circuit breaker 9 controlled by pulse width modulation. The power of the other heating resistors R1 is applied to the battery voltage 8 or completely decoupled. The total power P of the load elements results from the sum of the permanently switched on and of the heating resistor Rp, which is applied to the battery voltage 8 via a pulse-width-modulated control circuit breaker 9 .

Fig. 3 zeigt eine Tabelle, in welcher die Generatorleistung P über die Einzelheizleistung der Heizwiderstände (R1, R2, Rn, Rp) aufgeführt ist. Jeder der n Heizwiderstände (R1, R2, Rn) liefert eine Leistung P1. Der Widerstand Rp, der über einen pulsweiten modulierten Schalter an Batteriespannung gelegt wird, hat wenn er zu 100% zugeschaltet ist eine Maximalleistung von P1. Seine Leistung wird aber über die Pulsweite von 0% auf Maximallei stung (100%) entsprechend der vorhandenen Generatorleistung an gesteuert. In der ersten Spalte wird der Widerstand Rp entspre chend der vom Generator gelieferten Leistung über einen puls weitenmodulierten Leistungsschalter an Batteriespannung gelegt. Die vom Heizelement gelieferte Heizleistung variiert dann von 0 bis P1. In der zweiten Spalte ist der Fall dargestellt, daß der Generator genügend Leistung bereitstellt, so daß der Heizwider stand R1 vollständig an Batteriespannung gelegt ist. Die über schüssige Generatorleistung wird dazu benützt, den Heizwider stand Rp. Fig. 3 shows a table in which the generator power P is listed on the individual heating power of the heating resistors (R1, R2, Rn, Rp). Each of the n heating resistors (R1, R2, Rn) delivers a power P1. The resistor Rp, which is connected to the battery voltage via a pulse-width modulated switch, has a maximum output of P1 when it is 100% switched on. Its output is controlled via the pulse width from 0% to maximum performance (100%) according to the existing generator output. In the first column, the resistance Rp is applied to the battery voltage via a pulse-width modulated circuit breaker in accordance with the power supplied by the generator. The heating power supplied by the heating element then varies from 0 to P1. In the second column, the case is shown that the generator provides enough power so that the heating resistor R1 is completely connected to the battery voltage. The excess generator power is used to the heating resistor Rp.

Claims

1. Electric heating element ( 1 ), in particular a PTC-Heizele element, which stands from a resistance bank with individual heating resistors (R1, R2, Rn, Rp), which is available from a control unit ( 5 ) via switching elements ( 7 ) accordingly Ge generator power can be applied to the battery voltage, characterized in that a heating resistor Rp of the electric heating element ( 1 ) can be connected via a circuit breaker ( 9 ) to the battery voltage ( 8 ), which is controlled by pulse width modulation.

2. Electrical stimulus element ( 1 ) according to claim 1, characterized in
that the heating power of the resistor Rp connected to a battery voltage via a pulse-width modulated circuit breaker ( 9 ) is continuously increased and when the maximum power is reached,
Another free of these heating resistors (R1, R2, Rn) is connected to the battery voltage and the resistor Rp is again connected to the battery voltage via the pulse-width modulated circuit breaker ( 9 ) to further increase the heating power.

3. Electrical heating element ( 1 ) according to claims 1 to 2, characterized in that the heating resistor Rp of the electrical heating element ( 1 ), which can be connected to the battery voltage ( 8 ) via a circuit breaker ( 9 ), which is controlled by pulse width modulation a place of greatest air flow is arranged.