專利名稱：含有多個(gè)加熱元件的電加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
根據(jù)權(quán)利要求1的類屬子句，本發(fā)明涉及一種電加熱裝置，這樣的電加熱裝置特別適用于作為機(jī)動(dòng)車輛中的輔助電加熱裝置。
背景技術(shù)：
在機(jī)動(dòng)車輛中，在其它用途中，電加熱裝置用于加熱乘客車廂中的空氣，用于預(yù)熱水冷發(fā)動(dòng)機(jī)中的冷卻劑或用于加熱燃料。這種輔助電加熱裝置通常至少包括帶有加熱元件的加熱層和控制裝置。加熱元件通常是由加熱電阻，特別是PTC元件實(shí)現(xiàn)。加熱和控制單元可以以分開的功能單元實(shí)現(xiàn)，但是也可以結(jié)合實(shí)現(xiàn)以形成一個(gè)結(jié)構(gòu)單元。
EP-A2 1157868中描述了一種電加熱裝置，其中加熱元件和控制單元結(jié)合在一起以形成一個(gè)結(jié)構(gòu)單元。為了控制加熱元件，揭示了多個(gè)控制概念，將在下面簡(jiǎn)要的總結(jié)。
用于電加熱裝置的能量控制在最簡(jiǎn)單的情況下包括多個(gè)分開的加熱元件和所有加熱元件的同樣的控制。這樣的控制如圖1中采用三個(gè)加熱層作為實(shí)施例示出。單獨(dú)的加熱層P1、P2、P3的加熱能量如示出的依次排列，在總的加熱能量P(在最下面的圖中)之上。當(dāng)加熱指令增加時(shí)，各個(gè)加熱單元將被統(tǒng)一地控制使得各個(gè)加熱單元的每一個(gè)將產(chǎn)生增加的加熱能量。總的加熱能量P對(duì)應(yīng)于各個(gè)加熱能量P1到P3的和。
為了控制電負(fù)載，所謂的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，簡(jiǎn)稱PWM)是經(jīng)常用到的。所述的脈沖寬度調(diào)制的特有的特征是它可以以特別簡(jiǎn)單的方式在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)。圖2示出了這樣的時(shí)鐘控制。每一個(gè)加熱裝置的加熱電路以固定的頻率F和周期T通過控制單元計(jì)時(shí)。每一個(gè)單獨(dú)的加熱元件的能量由時(shí)鐘頻率產(chǎn)生。通過調(diào)制脈沖的寬度，能夠變化加熱能量。
圖2所示的能量控制原則上對(duì)應(yīng)于已經(jīng)參考圖1描述的線性控制。因此，所有的加熱元件為了產(chǎn)生預(yù)定的總的加熱能量而被統(tǒng)一控制。當(dāng)總的加熱能量增加時(shí)，各個(gè)加熱元件的加熱能量將相應(yīng)增加。在圖2對(duì)應(yīng)于每一個(gè)脈沖的時(shí)鐘頻率例如是70％，因此，產(chǎn)生70％的最大可能的加熱能量。在圖2的最下面的圖表中，帶有P70％的虛線表明加熱裝置的所有加熱元件的平均有效的加熱能量，同時(shí)，實(shí)線表明相應(yīng)的瞬時(shí)能量。
為了減少與脈沖寬度調(diào)制的使用相關(guān)聯(lián)的EMC問題，負(fù)載被逐漸的開和關(guān)，即用相對(duì)緩慢的邊沿。但是，由于用于這一目的需要的能量開關(guān)在這樣一個(gè)邊沿期間以線性操作控制，因此，同時(shí)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)瞬時(shí)能量損失。這樣的“邊沿?fù)p失(edge loss)”在電輔助加熱的控制中在每一個(gè)開關(guān)處實(shí)際上是總能量損失的基本的百分率。
在圖2示出的類型的控制，隨著時(shí)間的變化，在由加熱元件產(chǎn)生的加熱能量的情況下是有缺點(diǎn)的。由于所有負(fù)載同時(shí)開關(guān)，所以另一個(gè)問題是在供應(yīng)線上有非常高的電流峰值。
為了在熱傳遞過程中避免這種隨時(shí)間的變化，當(dāng)使用脈沖寬度調(diào)制時(shí)，電加熱裝置的加熱元件用時(shí)間移位控制。這種控制的實(shí)施例如圖3所示。在這個(gè)實(shí)施例中，示出的三個(gè)加熱元件用時(shí)間移位t計(jì)時(shí)。相應(yīng)主脈沖寬度分配給用于單獨(dú)層的時(shí)鐘的整個(gè)周期。
在這種過程中，n折層(n＝通道的數(shù)量)頻率成分在負(fù)載，如加熱元件，的總電流中變得可見。這允許在統(tǒng)一的總電流頻率時(shí)相對(duì)低的脈沖寬度調(diào)制頻率。
當(dāng)這樣的電加熱裝置用于機(jī)動(dòng)車輛中時(shí)，總電流頻率影響安裝于機(jī)動(dòng)車輛的整個(gè)電源且當(dāng)視覺限制不再到達(dá)時(shí)可以看作為干擾燈閃動(dòng)。
如前述的，當(dāng)控制通過脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)時(shí)，邊沿?fù)p失總會(huì)出現(xiàn)的。無論負(fù)載是開還是關(guān)，這些邊沿?fù)p失都將發(fā)生，使得隨著控制頻率的增加，它們的百分比線性增加。但是，控制頻率必須不能低于某個(gè)下限，以防止燈閃爍變成可見光。因此，在可以變化的控制頻率中，僅某一特定通道用于適合的控制頻率的保持。
由下述等式得到邊緣損失的大小PEdge=[WRisingEdgeTPWM+WFallingEdgeTPWM·n]-----(1)]]>在這個(gè)等式中，PEdge代表由邊沿導(dǎo)致的能量損失，WRisingEdge代表在上升邊沿過程中在電源開關(guān)中轉(zhuǎn)換的能量，WFalling Edge代表在下降邊沿過程中在電源開關(guān)中轉(zhuǎn)換的能量，TPWM代表脈沖寬度調(diào)制的周期時(shí)間以及n代表通道數(shù)，即單獨(dú)地被控制的加熱元件的數(shù)量。
這樣的邊沿?fù)p失可以通過改善控制方法顯著的減小。在用于電加熱裝置的改進(jìn)的控制方法中，僅有一個(gè)加熱元件的加熱能量適合于為了這個(gè)目的可變化的調(diào)整。所有其它加熱元件可以僅僅被開或關(guān)，即它們可以在滿載或零負(fù)載時(shí)被操作。這些加熱元件可以根據(jù)需要開和關(guān)。為了產(chǎn)生的加熱能量的“微調(diào)”，具有可變的加熱能量貢獻(xiàn)的連續(xù)可調(diào)節(jié)的加熱元件被打開。
當(dāng)這一概念與脈沖寬度調(diào)制相結(jié)合時(shí)，不是所有的通道被連續(xù)計(jì)時(shí)，而是僅有連續(xù)可調(diào)整通道的加熱能量通過脈沖寬度調(diào)制而被調(diào)整。這種類型的控制如圖4和圖5所示。加熱元件的加熱能量增加直到加熱元件達(dá)到可以產(chǎn)生的加熱能量的最大值。隨后，提供給該加熱元件的電流源在沒有計(jì)時(shí)的情況下繼續(xù)，即在不進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制的情況下。如果將要產(chǎn)生的加熱能量進(jìn)一步增加，則所述加熱能量通過下一個(gè)加熱元件的脈沖寬度調(diào)制產(chǎn)生。這一過程被繼續(xù)下去直到所有加熱元件被連續(xù)地打開。圖5示出了在僅有一個(gè)加熱元件的加熱能量被連續(xù)調(diào)整，同時(shí)其它的加熱元件僅僅開和關(guān)的情況下的替換。
在這種方式中，可以用較低的邊沿?fù)p失產(chǎn)生相同量的加熱能量。產(chǎn)生的邊沿?fù)p失用下列等式表示PEdge=WRisingEdgeTPWM+WFallingEdgeTPWM-----(2)]]>由于僅有一個(gè)加熱元件同時(shí)通過脈沖寬度調(diào)制控制的事實(shí)，相對(duì)于前述的等式，邊沿?fù)p失減少到1/n。
但是，上述類型的加熱能量控制通過各個(gè)加熱元件，具有關(guān)于加熱塊的不均等加熱的缺點(diǎn)。這具有將要被加熱的介質(zhì)以局部的非均等的方式被加熱且由此具有不同溫度帶的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電加熱裝置，其中加熱元件被均勻地加熱且能量損失低，以及控制這樣的電加熱裝置的方法。
這一目的是通過用于電加熱裝置的權(quán)利要求1和用于控制方法的權(quán)利要求9的特征來實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于加熱元件的控制信號(hào)的布置以預(yù)定的時(shí)間間隔變化。為了控制這樣的電加熱裝置，提供給加熱元件的相應(yīng)電流被交換使得加熱元件通過控制單元的不同“控制通道”被相繼地控制。這樣隨著時(shí)間的過去達(dá)到平衡時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)將要加熱的介質(zhì)的更均衡地加熱。
根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，通過所有布置的改變或旋轉(zhuǎn)來改變布置。由于每一個(gè)加熱元件具有對(duì)于裝置的每一個(gè)“通道”的連續(xù)的布置，所以用這種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)將要加熱的介質(zhì)的均衡加熱。
將要加熱的介質(zhì)中的不規(guī)則可以以這種方式避免，特別是當(dāng)控制系統(tǒng)被用于各個(gè)加熱元件在最大加熱能量和零加熱能量之間轉(zhuǎn)換時(shí)。
當(dāng)最大加熱能量和零加熱能量之間的轉(zhuǎn)換被用于控制加熱元件時(shí)，至少加熱能量可以連續(xù)調(diào)節(jié)的一個(gè)控制通道是必需的。有利的是用一個(gè)連續(xù)可調(diào)節(jié)的控制通道，至于其余的通道在最大加熱能量和零能量之間轉(zhuǎn)換的情況下是有效的。這種類型的控制使得能夠?qū)崿F(xiàn)更低的能量損失，以及更精確的加熱能量調(diào)節(jié)。
根據(jù)有利的實(shí)施例，脈沖寬度調(diào)制用于控制連續(xù)可調(diào)節(jié)的加熱能量。定位改變的時(shí)間間隔最好是脈沖寬度調(diào)制周期的整數(shù)倍。以這種方式，在開關(guān)轉(zhuǎn)換有效的情況下，邊沿?fù)p失可以保持的特別低。
從屬權(quán)利要求的主題是本發(fā)明的有利的實(shí)施例。


以下，本發(fā)明將參考附圖揭示的進(jìn)行描述，其中圖1示出了用于均勻控制三個(gè)加熱元件的控制概念，圖2示出了加熱能量的時(shí)鐘控制的實(shí)施例，圖3示出了具有各個(gè)控制通道的時(shí)間移位的時(shí)鐘控制，圖4和圖5示出了根據(jù)每次總是僅有一個(gè)加熱元件在零負(fù)載和最大加熱能量之間被操作的控制概念的變形。
圖6a和6b示出了根據(jù)本發(fā)明的電加熱裝置的頂視圖和側(cè)視圖，圖7示出了根據(jù)本發(fā)明包括三個(gè)加熱元件的電加熱裝置的基本電路，圖8示出了電加熱裝置的加熱元件的旋轉(zhuǎn)控制的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖6a示出了根據(jù)特別適用于機(jī)動(dòng)車輛中的本發(fā)明的電加熱裝置1的側(cè)視圖。圖6b示出了電加熱裝置1的頂視圖。電加熱裝置1包括含有多個(gè)分層的或堆疊的加熱元件2的加熱塊。每一個(gè)加熱元件2包括至少一個(gè)帶有鄰接地設(shè)置在其上的散熱體或熱傳導(dǎo)表面的電阻加熱元件。用作電阻加熱元件的元件最好是PTC元件。含有加熱元件2的加熱塊保持在框架中。這個(gè)框架包括相對(duì)的縱向條3和與這些縱向條3成直角設(shè)置的側(cè)向條4和5。相對(duì)于側(cè)向條4，側(cè)向條5作為在一側(cè)開口的盒體來實(shí)現(xiàn)。盒形的側(cè)向條5的開口位于所述側(cè)向條5面對(duì)加熱元件2的側(cè)邊。這個(gè)盒體適合于使控制裝置插入其中，該控制裝置通過控制提供給加熱元件2的電流來控制各個(gè)加熱元件2的熱輸出。作為盒體的側(cè)向條5的開口側(cè)由蓋閉合，該蓋在控制電路被插入后，連接于或夾在側(cè)向條5上。電加熱裝置1通過兩個(gè)端子引線8提供電流。這樣實(shí)現(xiàn)這些端子引線8，使得必要的加熱電流可以通過它們?nèi)菀椎剡M(jìn)行傳導(dǎo)。根據(jù)一個(gè)特別的實(shí)施例，側(cè)向條5在側(cè)面具有窗開口7，這些窗開口7如此排列使得它們也位于將要加熱的介質(zhì)的電流中。冷卻元件6設(shè)置在相對(duì)的窗開口7之間，所述冷卻元件6消除控制電路的電子元件散發(fā)的熱量。
根據(jù)本發(fā)明用作輔助加熱裝置的電加熱裝置的基本電路如圖7所示。控制單元16，最好是計(jì)算單元或微型計(jì)算機(jī)，控制多個(gè)電加熱電阻17的加熱能量。用于實(shí)現(xiàn)在1000和2000瓦特之間范圍的總加熱能量所需的高電流通過功率半導(dǎo)體11，特別是功率晶體管，提供給電加熱電阻17?？刂茊卧?6決定通過晶體管11傳導(dǎo)給電阻17的電流的量，所述被決定的電流的量與使用的控制方法和預(yù)先設(shè)定的值有關(guān)。為了這個(gè)目的，計(jì)算單元16通過線18分別連接于每一個(gè)功率晶體管11。
由加熱電阻產(chǎn)生的總的加熱能量由計(jì)算單元16根據(jù)需要的加熱能量控制。為了控制的目的，在機(jī)動(dòng)車輛中可能的最大產(chǎn)生能量可以附加的被考慮。
現(xiàn)有技術(shù)揭示了例如在多個(gè)無關(guān)的加熱元件被均勻地控制或被順序地控制的情況下，根據(jù)需要的總加熱能量的各種能量控制概念。根據(jù)本發(fā)明，每一個(gè)加熱電阻對(duì)總的加熱能量貢獻(xiàn)具有相同時(shí)間平均值的加熱能量。為了這個(gè)目的，由控制單元16產(chǎn)生的控制信號(hào)(“通道”)的設(shè)置相對(duì)于每一個(gè)加熱元件是變化的，特別的以預(yù)定的時(shí)間間隔旋轉(zhuǎn)或改序。這樣不均勻加熱將被分配給整個(gè)加熱塊且可以避免要被加熱的氣流中的非均勻加熱的區(qū)域。
時(shí)間間隔最好優(yōu)先選擇使得，利用加熱元件的熱慣性，可以產(chǎn)生均勻加熱。
利用脈沖寬度調(diào)制，時(shí)間間隔，即旋轉(zhuǎn)周期(TR)對(duì)應(yīng)于PWM周期TPWM的整數(shù)倍k。在這種情況下產(chǎn)生的邊沿?cái)?shù)與需要的加熱能量有關(guān)，特別是與加熱元件的開/關(guān)狀態(tài)是否通過在分配中的改變而改變有關(guān)。由于邊沿?cái)?shù)決定產(chǎn)生的能量損失的大小，當(dāng)單獨(dú)的時(shí)鐘通道被用于加熱能量的“微調(diào)”以及當(dāng)相應(yīng)的保持通道被開或關(guān)時(shí)，下述的等式適用于產(chǎn)生的邊沿的最大數(shù)PEdge=[WRisingEdgeTPWM+WFallingEdgeTPWM]·k+1k--------(3)]]>如果時(shí)間間隔，即旋轉(zhuǎn)或改序周期，被選擇得非常大(例如，k∞)，等式(3)將等于等式(2)。
圖8示出了帶有四個(gè)“控制通道”的加熱元件的旋轉(zhuǎn)控制的實(shí)施例?？刂仆ǖ栏鶕?jù)預(yù)定的旋轉(zhuǎn)計(jì)劃分配給加熱元件17。周期時(shí)間TR被選擇使得等于PWM周期TPWM的周期時(shí)間的八倍。
當(dāng)k具有用于控制旋轉(zhuǎn)時(shí)間間隔與PWM周期的比為8時(shí)，相對(duì)于帶有時(shí)鐘通道而沒有旋轉(zhuǎn)的公知的方法(等式2)，產(chǎn)生12.5％的附加邊沿?fù)p失。但是，相對(duì)于所用通道被均勻計(jì)時(shí)(等式1)的情況的方法，根據(jù)本實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)減少71.9％的邊沿?fù)p失。
而且，由于根據(jù)具有旋轉(zhuǎn)通道分配的方法，更多的單獨(dú)控制受影響，總能量可以比根據(jù)等式1的加熱元件被均勻控制的情況精確得多。
總之，本發(fā)明涉及電加熱裝置以及通過熱電阻的均勻加熱而得到的這樣的加熱裝置的控制方法。為了這個(gè)目的，控制裝置的控制通道和加熱元件之間的分配以預(yù)定的時(shí)間間隔變化。
權(quán)利要求
1.一種特別適用于機(jī)動(dòng)車輛的輔助加熱的電加熱裝置，包括多個(gè)加熱元件(17)，其結(jié)合在一起以形成一個(gè)加熱塊且每一個(gè)加熱元件適合于被分別控制，和用于控制加熱元件(17)的控制裝置(16)，用于每一所述加熱元件(17)的加熱能量適合于被分別調(diào)整，其特征在于控制裝置(16)如此形成，使得當(dāng)單獨(dú)的加熱元件(17)的控制受影響時(shí)，提供給單獨(dú)的加熱元件(17)的相應(yīng)的可分別調(diào)整的加熱能量的分配可以以預(yù)定的時(shí)間間隔(TR)改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電加熱裝置，其特征在于分配的改變代表提供給單獨(dú)的加熱元件(17)的相應(yīng)分別被調(diào)整的加熱能量的分配的改序或旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電加熱裝置，其特征在于控制裝置(16)通過在最大加熱能量和零能量之間的開關(guān)轉(zhuǎn)換來至少控制加熱元件(17)之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3之一的電加熱裝置，其特征在于控制裝置(16)通過大致連續(xù)可調(diào)整的加熱能量至少控制加熱元件(17)之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的電加熱裝置，其特征在于控制裝置(16)通過連續(xù)可調(diào)整的加熱能量控制加熱元件(17)之一且通過在最大加熱能量和零能量之間的開關(guān)轉(zhuǎn)換來控制其余的加熱元件(17)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的電加熱裝置，其特征在于控制裝置(16)至少控制一個(gè)加熱元件(17)，該加熱元件的加熱能量通過脈沖寬度調(diào)制連續(xù)可調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的電加熱裝置，其特征在于預(yù)定的時(shí)間間隔(TR)代表脈沖寬度調(diào)制周期(TPWM)的整數(shù)倍(k)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電加熱裝置，其特征在于加熱裝置包括總共四個(gè)單獨(dú)可控制的加熱元件(17)，以及所述預(yù)定的時(shí)間間隔(TR)等于脈沖寬度調(diào)制周期(TPWM)的八倍。
9.一種控制電加熱裝置的方法，該電加熱裝置特別適用于機(jī)動(dòng)車輛的輔助加熱且包括多個(gè)加熱元件(17)，其結(jié)合在一起以形成一個(gè)加熱塊且每一個(gè)加熱元件適合于被分別控制，用于每一所述加熱元件(17)的加熱能量被分別調(diào)整，其特征在于提供給單獨(dú)的加熱元件(17)的相應(yīng)分別調(diào)整的加熱能量的分配以預(yù)定的時(shí)間間隔(TR)改變。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于分配的改變代表提供給單獨(dú)的加熱元件(17)的相應(yīng)分別被調(diào)整的加熱能量的分配的改序或旋轉(zhuǎn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的方法，其特征在于加熱元件(17)之一通過在最大加熱能量和零能量之間的開關(guān)轉(zhuǎn)換被控制。
12.根據(jù)權(quán)利要求9到11之一的方法，其特征在于至少加熱元件(17)之一通過大致連續(xù)可調(diào)整的加熱能量被控制。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法，其特征在于，加熱元件(17)之一通過連續(xù)可調(diào)的加熱能量被控制且其余的加熱元件(17)通過在最大加熱能量和零能量之間的開關(guān)轉(zhuǎn)換被控制。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的方法，其特征在于至少一個(gè)加熱元件(17)通過脈沖寬度調(diào)制被控制，該加熱元件(17)的加熱能量是連續(xù)可調(diào)的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于預(yù)定的時(shí)間間隔(TR)代表脈沖寬度調(diào)制周期(TPWM)的整數(shù)倍(k)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電加熱裝置以及控制這樣一種加熱裝置的方法，是通過熱電阻的均勻加熱實(shí)現(xiàn)的。為了此目的，控制裝置的控制通道和加熱元件之間的分配以預(yù)定的時(shí)間間隔變化。
文檔編號(hào)H05B3/00GK1500665SQ20031012094
公開日2004年6月2日 申請(qǐng)日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月30日
發(fā)明者F·普羅布斯特, F 普羅布斯特 申請(qǐng)人:凱特姆兩合公司