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WO2019068710A1 - Heizmodul und fluidheizer und verfahren zur steuerung eines heizmoduls - Google Patents

Heizmodul und fluidheizer und verfahren zur steuerung eines heizmoduls Download PDF

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WO2019068710A1
WO2019068710A1 PCT/EP2018/076793 EP2018076793W WO2019068710A1 WO 2019068710 A1 WO2019068710 A1 WO 2019068710A1 EP 2018076793 W EP2018076793 W EP 2018076793W WO 2019068710 A1 WO2019068710 A1 WO 2019068710A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heating
constant
heating module
heating element
power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/076793
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alaa HARMOUCH
Sebastian Schöneich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DBK David and Baader GmbH
Original Assignee
DBK David and Baader GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DBK David and Baader GmbH filed Critical DBK David and Baader GmbH
Publication of WO2019068710A1 publication Critical patent/WO2019068710A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/22—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant
    • B60H1/2215—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant the heat being derived from electric heaters
    • B60H1/2218—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant the heat being derived from electric heaters controlling the operation of electric heaters
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    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/30—Control of fluid heaters characterised by control outputs; characterised by the components to be controlled
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    • F24H15/37—Control of heat-generating means in heaters of electric heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/20—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24H9/2007—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heaters
    • F24H9/2014—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heaters using electrical energy supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/40—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers
    • F24H15/407—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electrical switching, e.g. TRIAC
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/40—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers
    • F24H15/414—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electronic processing, e.g. computer-based
    • F24H15/421—Control of fluid heaters characterised by the type of controllers using electronic processing, e.g. computer-based using pre-stored data

Definitions

  • the invention relates to an electric heating module according to the preamble of claim 1 and a running with such a heating module fluid heater and a method for its operation or control.
  • Such a heating module is shown, for example, in the documents DE 10 2016 102 705 A1 and DE 10 2016 109 039 A1, which are based on the applicant. A similar solution is also described in the document DE 10 201 1 002 144 A1.
  • a fluid heater is implemented with a heating module having a resistance heater, which is designed, for example, with a PTC heating element, a wire heating element or the like.
  • a resistance heater which is designed, for example, with a PTC heating element, a wire heating element or the like.
  • power electronics are provided in such solutions, which controls the heater clocked example of a pulse width modulation (PWM) to adjust the heating power or to avoid overheating the heater off.
  • PWM pulse width modulation
  • the invention has for its object to provide a heating module and running with such a heating module fluid heater, which can be used with high reliability in the high-voltage range. Furthermore, the invention is based on the object to provide a corresponding method.
  • the electric heating module according to the invention has at least one constant heating element, which is not modulated or operated in a clocked manner but at best can be switched on and off via a drive circuit.
  • This at least one constant heating element is assigned to a varioheating element which is designed with one or more power semiconductors and which is controlled to control the heating power via the drive circuit in linear operation.
  • a part, preferably the majority of the heating power is applied via the at least one constant heating element, which is operated as a function of the selected voltage with a relatively constant power.
  • the required adaptation or variation of the heating power of the heating module then takes place via the Varioheizelement, which supplements the heating power of the at least one constant heating element.
  • the Varioheizelement which supplements the heating power of the at least one constant heating element.
  • the Varioheizelement can be designed as a suitably controllable power semiconductor or as a controllable circuit of a plurality of elements, including power semiconductor.
  • the Varioheizelement is controlled in linear operation, so that an exact control of the heating power can be done depending on the operating conditions.
  • the aforementioned disadvantages, such as excessive EMC radiation or limitations in terms of realizable heating power are not present in the inventive solution.
  • the constant heating element and the Varioheizelement can be connected in series or parallel to each other and thereby form a hybrid heating element.
  • a plurality of such hybrid heating elements can be connected to increase the heating power of the heating module according to the invention.
  • the hybrid heating elements can be connected in series and / or in parallel.
  • the constant heating element in turn consist of a plurality of parallel and / or series-connected heating elements.
  • the construction of the heating module is particularly simple if the constant heating element is a resistance heating element, for example a wire resistor, a thick-film resistor or a PTC resistance element.
  • the constant heating element can of course consist of the mentioned plurality of resistance heating elements, for example wire wound resistors, thick film resistors or PTC resistance elements. It can be provided that the constant heating element or its aforementioned heating elements in each case a switch or a power semiconductor is assigned as a drive circuit for switching on and off.
  • the heating power of the electric heating module is preferably adjustable between 0 and 12 kW in the entire on-board voltage range used in automotive engineering.
  • the fluid heater according to the invention is designed with at least one such electrical heating module.
  • the inventive method for controlling a heating module is characterized by the combined circuit of the constant heating element and the Vanocoloriatas.
  • the constant heating element is controlled such that the heating power is below the target heat output.
  • the target heat output is achieved in that the Varioheizelement applies the difference between the constant heat output of the constant heating element and the target heating. Due to the combination of the constant heating element and the Vanoflowerides the heat output adds up both to the target heat output.
  • the method according to the invention can relate to a heating module with the features described above.
  • the heating power of the Vanoloomettis is minimized.
  • suitable dimensioning of the constant heating elements and a switching strategy, ie a suitable selection of the switching combination it is avoided that the Varioheizelement emits the highest heat output.
  • Figure 1 is a schematic diagram of the circuit of a heating module according to the invention of a first embodiment
  • Figure 2 is a schematic diagram of the circuit of a heating module according to the invention of a second embodiment
  • Figure 3 is a schematic diagram of the circuit of a heating module according to the invention of a third embodiment
  • Figure 4 is an electrical circuit diagram of a Va oloomiatas and the associated constant heating element of the heating module of Figure 3;
  • FIG. 5 characteristic curves of the heating module according to FIG. 4
  • Figures 6 and 7 further embodiments of an electric heating module according to the invention.
  • this electric heating module 1 shows a circuit diagram of a first embodiment of an electric heating module 1 is shown.
  • the power supply is via the high voltage UHV.
  • this electric heating module 1 has a plurality of hybrid heating elements 2, each consisting of a series connection of a constant heating element Ri ... R n and a Variocolorides R a ... Rz.
  • the hybrid heating elements 2 are connected in parallel to each other.
  • the constant heating elements Ri ... Rn are operated as a function of the applied voltage with a constant heating power.
  • the Variotropicetti R a ... Rz are designed as power semiconductors and are operated at a variable heat output.
  • this electric heating module 1 shows a circuit diagram of a second embodiment of an electric heating module 1 is shown. Also in this embodiment, the high voltage UHV is applied. Accordingly, this electric heating module 1 has a constant heating element Rk, which is connected in series with a Varioheizelement RVHE.
  • the constant heating element Rk consists in the illustrated embodiment of a plurality of parallel constant heating elements Ri ... R n , which in each case individually with the series-connected switches Si ... Sn are switchable.
  • the switches Si ... Sn are designed as power semiconductors.
  • the constant heating elements Ri ... Rn are operated as a function of the applied voltage UHV and of the switching state of the switches Si ... Sn with a constant heating power.
  • the Varioheizelement RVHE is designed as a suitably controllable power semiconductors or controllable circuit of several elements, including power semiconductor and is operated with variable heating power.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram or switching topology of a third exemplary embodiment of a heating module 1 according to the invention.
  • the dimensioning or design of these constant heating elements Ri ... R n may vary depending on the mechanical structure of the heating module 1.
  • Parallel to the constant heating elements Ri ... R n with the associated switches Si. Sn is arranged a hybrid heating element 2, which in turn consists of the series connection of a constant heating element Rk and a Va ocreammaschines RVHE.
  • FIG 4 shows the hybrid heater 2 of Figure 3.
  • This consists of a constant heating element Rk and a Va oheizelement RVHE.
  • the Varioheizelement RVHE in turn consists of several semiconductors H1 to H3, which are connected in series.
  • the semiconductor H3, which allows a variable current flow depending on its control (current setpoint) is connected in series.
  • an I-controller is recommended, whereby it is preferred if its time constant is much larger than that of the subordinate voltage regulation (U1 and U2) in order to prevent a vibrating system.
  • FIG. 5 shows characteristic curves of a hybrid heating element 2 operated in this way from FIGS. 3 and 4.
  • powers P and voltages U in the constant heating resistor and in the variable heating resistor and the total power Psumme of the hybrid heating element 2 are plotted as a function of the preselected voltage UHV.
  • a sum power Psumme in the hybrid heating element 2 of 1000W is requested at different voltages.
  • a power Pk of about 606W is generated while in the variable heating resistor a power PVHE of about 394W is generated.
  • the voltage is divided accordingly to approx. 206V (at the constant heating resistance) and approx. 134V (at the variable heating resistance).
  • the resistances of the constant heating elements R1, R2, R3 are designed as 90 ⁇ , 125 ⁇ and 250 ⁇ and the constant resistance in the hybrid heating element 2 as 100 ⁇ .
  • the aim of the circuit is, inter alia, to avoid an inadmissibly high heating power of the Vario heating element RVHE ZU.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment.
  • each hybrid heating element 2 is designed in parallel, wherein in each case a constant heating element R1 ... R n is arranged parallel to a Varioheizelement R a ... Rz.
  • R1 ... R n is arranged parallel to a Varioheizelement R a ... Rz.
  • FIG. 7 shows a variant in which the two concepts according to FIGS. 1 and 6 are combined. That is, the hybrid heating elements 2 of
  • Heating module 1 are connected in parallel and / or in series. Even with such a circuit, each of these constant heating elements Ri ... R n can be assigned an on / off switch.
  • each resistance heating element - as shown in Figure 7 - in turn consist of a plurality of in series and / or parallel resistance heating elements R1 / 1 ... Ri / n .
  • each of these resistance heating elements R1 / 1 ... Ri / n is in turn assigned a power semiconductor element R a / i ... Rz / i, which in this case, however, preferably as a switch for activating or deactivating the associated resistance heating element R1 / 1 ... Ri / n is provided.
  • the heating module 1 is designed so that the majority, for example, between 70% and 90% of the total heating power PGes. is applied by the constant heating elements Ri ... R n and Rk and the rest of the Va ocreamele- element RVHE, SO that this can be designed as described with reference to Figures 3 to 5 for comparatively low heating PVHE.
  • an electric heating module with a hybrid heating element consisting of at least one constant heating element and a Varioheizelement which is formed with power semiconductors and operates in linear operation. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Offenbart ist ein elektrisches Heizmodul mit einem Hybridheizelement, bestehend aus zumindest einem Konstantheizelement und einem Varioheizelement, das mit Leistungshalbleiter ausgebildet ist und im Linearbetrieb arbeitet.

Description

Heizmodul und Fluidheizer und Verfahren zur Steuerung eines Heizmoduls
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizmodul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und einen mit einem derartigen Heizmodul ausgeführten Fluidheizer und ein Verfahren zu dessen Betrieb oder Steuerung.
Ein derartiges Heizmodul ist beispielsweise in den auf die Anmelderin zurückgehenden Druckschriften DE 10 2016 102 705 A1 und DE 10 2016 109 039 A1 gezeigt. Eine ähnliche Lösung wird auch in der Druckschrift DE 10 201 1 002 144 A1 beschrieben.
Demgemäß ist ein Fluidheizer mit einem Heizmodul ausgeführt, das einen Widerstandheizer aufweist, der beispielsweise mit einem PTC-Heizelement, einem Drahtheizelement oder dergleichen ausgeführt ist. Zur Steuerung und zur Vermeidung einer Beschädigung der Komponenten ist bei derartigen Lösungen eine Leistungselektronik vorgesehen, die den Heizer beispielsweise nach einer Pulsweitenmodulation (PWM) getaktet ansteuert, um die Heizleistung anzupassen oder zum Vermeiden einer Überhitzung den Heizer ausschaltet.
Eine derartige getaktete Ansteuerung ist jedoch bei hohen Heizleistungen (im Bereich von 3 bis 12 kW), insbesondere bei Anwendungen in der Automobiltechnik, problematisch, da während dieses Taktens jeweils beim Einschalten ein Einschaltstrom- peak entsteht, der im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) kritisch ist, da durch die dabei entstehende EMV-Strahlung benachbarte elektronische Komponenten in ihrer Funktion beeinträchtigt werden können. Aus diesem Grund sind herkömmliche Heizelemente in der Automobiltechnik, insbesondere im Hochvoltbereich, nicht oder nur schwierig einsetzbar.
Prinzipiell besteht eine Möglichkeit, anstelle dieser Taktung von Heizelementen, die im Folgenden Konstantheizelemente genannt werden, so genannte Linearheizer vorzusehen, bei denen die Heizelemente durch Leistungshalbleiter ausgebildet sind. Derartige Lösungen sind in der DE 10 2015 106 552 A1 , der DE 197 28 589 C1 und der DE 197 33 045 C1 gezeigt. Nachteilig bei diesen Lösungen ist, dass diese lediglich für den Niedervoltbereich ausgelegt sind. Für eine Verwendung im Hochvoltbereich sind diese Heizelemente ungeeignet, da ein Betrieb in allen Spannungsbereichen mit einer Heizleistung zwischen 0 und 12 kW bei kompakter Bauweise nicht realisierbar ist.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Heizmodul und einen mit einem derartigen Heizmodul ausgeführten Fluidheizer zu schaffen, der bei hoher Betriebssicherheit auch im Hochvoltbereich einsetzbar ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein entsprechendes Verfahren zu schaffen.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Heizmodul durch die Merkmalskombination des Patentanspruches 1 , im Hinblick auf den Fluidheizer durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruches 10 und durch ein Verfahren zur Schaltung eines Heizmoduls gemäß Anspruch 1 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße elektrische Heizmodul hat zumindest ein Konstantheizelement, das nicht moduliert oder getaktet betrieben wird sondern allenfalls über eine Ansteuerschaltung ein- und ausgeschaltet werden kann. Diesem zumindest einem Konstantheizelement ist ein mit einem oder mehreren Leistungshalbleitern ausgebildetes Varioheizelement zugeordnet, das zur Regelung der Heizleistung über die Ansteuerschaltung im Linearbetrieb angesteuert ist.
Ein Teil, vorzugsweise der überwiegende Teil der Heizleistung wird über das mindestens eine Konstantheizelement aufgebracht, das in Abhängigkeit der gewählten Spannung mit relativ konstanter Leistung betrieben wird. Die erforderliche Anpassung bzw. Variation der Heizleistung des Heizmoduls erfolgt dann über das Varioheizelement, das die Heizleistung des mindestens einen Konstantheizelementes ergänzt. Prinzipiell ist es natürlich auch möglich, das Konstantheizelement abzuschalten und alleine das Varioheizelement zur Erbringung der Heizleistung anzusteuern.
Das Varioheizelement kann als geeignet ansteuerbarer Leistungshalbleiter oder als ansteuerbare Schaltung mehrerer Elemente, darunter Leistungshalbleiter ausgebildet sein.
Das Varioheizelement ist dabei im Linearbetrieb ansteuerbar, so dass eine exakte Regelung der Heizleistung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen erfolgen kann. Die eingangs genannten Nachteile, wie beispielsweise eine übermäßige EMV- Strahlung oder Beschränkungen im Hinblick auf die realisierbare Heizleistung sind bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht vorhanden.
Das Konstantheizelement und das Varioheizelement können in Reihe oder parallel zu einander verschaltet sein und dabei ein Hybridheizelement bilden.
In beiden Fällen kann zur Erhöhung der Heizleistung des erfindungsgemäßen Heizmoduls eine Vielzahl derartiger Hybridheizelemente verschaltet werden.
Dabei können die Hybridheizelemente in Reihe und/oder parallel geschaltet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Konstantheizelement seinerseits aus einer Vielzahl von parallel- und/oder in Reihe geschalteten Heizelementen bestehen.
Der Aufbau des Heizmoduls ist besonders einfach, wenn das Konstantheizelement ein Widerstandheizelement, beispielsweise ein Drahtwiderstand, ein Dickschichtwiderstand oder ein PTC-Widerstandselement, ist. Zur Erhöhung der Heizleistung des erfindungsgemäßen Heizmoduls kann das Konstantheizelement natürlich aus der genannten Vielzahl von Widerstandheizelementen, beispielsweise Drahtwiderständen, Dickschichtwiderständen oder PTC-Widerstandselementen bestehen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass dem Konstantheizelement oder dessen vorgenannten Heizelementen jeweils ein Schalter oder ein Leistungshalbleiter als Ansteuerschaltung zum Ein- und Ausschalten zugeordnet ist.
Die Heizleistung des elektrischen Heizmoduls ist vorzugsweise im gesamten, in der Automobiltechnik verwendeten Bordspannungsbereich zwischen 0 und 12 kW einstellbar.
Der erfindungsgemäße Fluidheizer ist mit zumindest einem derartigen elektrischen Heizmodul ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung eines Heizmoduls zeichnet sich durch die kombinierter Schaltung des Konstantheizelementes und des Vanoheizelementes aus. Dabei wird das Konstantheizelement derart angesteuert, dass die Heizleistung unterhalb der Zielheizleistung liegt. Durch das ergänzende Einschalten des Vanoheizelementes, das eine variable Heizleistung aufweist, wird die Zielheizleistung dadurch erreicht, dass das Varioheizelement die Differenz zwischen der konstanten Heizleistung des Konstantheizelementes und der Zielheizleistung aufbringt. Durch die Kombination des Konstantheizelementes und des Vanoheizelementes summiert sich die Heizleistung beider auf die Zielheizleistung.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren ein Heizmodul mit den zuvor beschriebenen Merkmalen betreffen.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die Heizleistung des Vanoheizelementes minimiert. Durch geeignete Dimensionierung der Konstantheizelemente und eine Schaltstrategie, also eine geeignete Auswahl der Schaltkombination, wird vermieden, dass das Varioheizelement die größte Heizleistung abgibt.
Durch den Aufbau eines Kühlkörpers bzw. Heizkörpers des Heizmoduls könnte es durch ungünstige Verschaltung zu Hotspot mit Überschreitung zulässiger Temperaturen kommen. Daher wird in einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens durch die Schaltstrategie, also die geeignete Auswahl der Schaltkombination, die Verteilung der Leistung an einem Kühlkörper bzw. Heizkörper des Heizmoduls optimiert, womit Hotspots vermieden sind.
Besonders bevorzugt wird eine Kombination der oben genannten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Alle genannten Schaltstrategien haben die Gemeinsamkeit, dass diese während des Heizbetriebs über unterschiedliche Berechnungsmethoden festlegen können, welche Elemente eingeschaltet werden und/oder dass eine Lookup-Tabelle hinterlegt ist, in der die passenden Schaltkombinationen in Abhängigkeit der Versorgungsspannung und der abzugebenden Heizleistung hinterlegt ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung der Schaltung eines erfindungsgemäßen Heizmoduls eines ersten Ausführungsbeispiels;
Figur 2 eine Prinzipdarstellung der Schaltung eines erfindungsgemäßen Heizmoduls eines zweiten Ausführungsbeispiels;
Figur 3 eine Prinzipdarstellung der Schaltung eines erfindungsgemäßen Heizmoduls eines dritten Ausführungsbeispiels;
Figur 4 ein elektrisches Schaltbild eines Va oheizelementes und das zugeordnete Konstantheizelement des Heizmoduls aus Figur 3;
Figur 5 Kennlinien des Heizmoduls gemäß Figur 4 Figuren 6 und 7 weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen elektrischen Heizmoduls.
In Figur 1 ist ein Schaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels eines elektrischen Heizmoduls 1 dargestellt. Die Spannungsversorgung erfolgt über die Hochvoltspannung UHV. Demgemäß hat dieses elektrische Heizmodul 1 eine Vielzahl von Hybridheizelementen 2, die jeweils aus einer Reihenschaltung eines Konstantheizelementes Ri ... Rn und eines Varioheizelementes Ra ... Rz bestehen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Hybridheizelemente 2 parallel zu einander geschaltet. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Konstantheizelemente Ri ... Rn in Abhängigkeit der angelegten Spannung mit einer konstanten Heizleistung betrieben werden. Die Varioheizelemente Ra ... Rz sind als Leistungshalbleiter ausgeführt und werden bei einer variablen Heizleistung betrieben.
In Figur 2 ist ein Schaltschema eines zweiten Ausführungsbeispiels eines elektrischen Heizmoduls 1 dargestellt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird die Hochvoltspannung UHV angelegt. Demgemäß hat dieses elektrische Heizmodul 1 ein Konstantheizelement Rk, welches in Reihe mit einem Varioheizelement RVHE geschaltet ist. Das Konstantheizelement Rk besteht beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus mehreren parallel geschalteten Konstantheizelementen Ri ... Rn, welche jeweils einzeln mit den in Reihe geschalteten Schaltern Si ... Sn schaltbar sind. Die Schalter Si ... Sn sind als Leistungshalbleiter ausgelegt.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Konstantheizelemente Ri ... Rn in Abhängigkeit der angelegten Spannung UHV und des Schaltzustandes der Schalter Si ... Sn mit konstanter Heizleistung betrieben werden. Das Varioheizelement RVHE ist als geeignet ansteuerbarer Leistungshalbleiter oder ansteuerbare Schaltung mehrerer Elemente, darunter Leistungshalbleiter ausgeführt und wird mit variabler Heizleistung betrieben.
Figur 3 stellt ein Schaltschema oder Schalttopologie eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Heizmoduls 1 dar. Am hier vorliegenden Ausführungsbeispiel soll zudem die Wirkungsweise einer Leistungssteuerung des Heizmoduls 1 be- schrieben werden. Die als konstante Heizwiderstände ausgebildeten Konstantheiz- elemente Ri ... Rn werden je nach anliegender Spannung UHV und vorgegebener Sollleistung mit den Schaltern Si . .. Sn ein- bzw. ausgeschaltet. Diese sollen i.d.R. den größten Anteil der Gesamtleistung Psumme des Heizmoduls 1 abgeben. Die Dimensionierung bzw. Auslegung dieser Konstantheizelemente Ri ... Rn kann je nach mechanischem Aufbau des Heizmoduls 1 variieren. Parallel zu den Konstantheizelementen Ri ... Rn mit den zugeordneten Schaltern Si . .. Sn ist ein Hybridheizelement 2 angeordnet, welches seinerseits aus der Reihenschaltung eines Konstantheizelementes Rk und eines Va oheizelementes RVHE besteht.
Berechnungsbeispiel:
Existieren z.B. drei schaltbare Konstantheizelemente Ri , R2 und R3 mit Widerstandswerten 90 Ω, 60 Ω und 50 Ω, können diese bei einer vorgewählten Spannung UHV von beispielsweise 300 V die Leistungen 1000 W (Ri), 1500 W (R2) und 1800 W (R3) abgeben. Dadurch besteht die Möglichkeit die Leistungen 0 W, 1000 W, 1500 W, 1800 W, 2500 W, 2800 W, 3300 W und 4300 W durch entsprechende Verschaltung ohne die Verwendung des Hybridheizelements 2 abzugeben. Der größte Leistungsschritt zwischen zwei Möglichkeiten beträgt folglich 1000 W. Damit der vollständige Leistungsbereich stufenlos abgedeckt werden kann, ist hierfür ein Heizwiderstand des Hybridheizelements 2 von 90 Ω bis 00 Ω erforderlich.
Natürlich sind alle Rechenbeispiele möglich, wobei im normalen Fall ein Bereich der Gesamtleistung PGes. von 0 W bis ca. 15 KW bei einer Spannung UHV von 280 V bis ca. 1 .200 V abgedeckt wird.
Figur 4 zeigt das Hybridheizelement 2 aus Figur 3. Dieses besteht aus einem Konstantheizelement Rk und einem Va oheizelement RVHE. Das Varioheizelement RVHE besteht seinerseits aus mehreren Halbleitern H1 bis H3, welche in Reihe verschaltet sind. Damit sich innerhalb dieses Varioheizelement RVHE die Leistungen gleichmäßig verteilen, muss über allen Halbleitern H1 bis Hs die gleiche Spannung abfallen. Hierfür wurden die Halbleiter H1 und H2 in Emitterschaltung (UEmitter = Ucate - UcateEmitter) verschaltet und eingangsseitig ein Spannungsteiler (bestehend aus den Widerständen W1 bis W3) vorgesehen, mit dem die Spannung gleichmäßig aufgeteilt wird. Zusätzlich sitzt in Reihe der Halbleiter H3 der in Abhängigkeit seiner Ansteuerung (Stromsollwert) einen variablen Stromfluss ermöglicht. Als Regler bietet sich ein I-Regler an, wobei es bevorzugt wird, wenn dessen Zeitkonstante sehr viel größer als die der unterlagerten Spannungsregelung (U1 und U2) ist, um ein schwingendes System zu verhindern.
Figur 5 zeigt Kennlinien eines derartig betriebenen Hybridheizelements 2 aus den Figuren 3 und 4. Beispielhaft sind Leistungen P und Spannungen U im konstanten Heizwiderstand und im variablen Heizwiderstand sowie die Summenleistung Psumme des Hybridheizelements 2 in Abhängigkeit der vorgewählten Spannung UHV aufgetragen. Im Beispiel der Figur 5 wird eine Summenleistung Psumme im Hybridheizelement 2 von 1000W bei verschiedenen Spannungen angefordert.
Beispielsweise wird bei einer vorgewählten Spannung von 340V über den konstanten Heizwiderstand eine Leistung Pk von ca. 606 W erzeugt, während im variablen Heizwiderstand eine Leistung PVHE von ca. 394W erzeugt wird. Die Spannung wird entsprechend zu ca. 206V (am konstanten Heizwiderstand) und ca. 134V (am variablen Heizwiderstand) geteilt.
Bei einem weiteren Bespiel mit Bezug zur Figur 3 und mit einer vorgewählten Spannung UHV von 350V sind die Widerstände der Konstantheizelemente R1 , R2, R3 mit 90 Ω, 125 Ω und 250 Ω sowie der konstante Widerstand im Hybridheizelement 2 mit 100 Ω ausgeführt. Ziel der Schaltung ist es unter anderem eine unzulässig hohe Heizleistung des Varioheizelementes RVHE ZU vermeiden. Durch geeignete Dimensionierung der Konstantheizelemente R1, R2 und R3 sowie Rk und geeignete Auswahl der Schaltkombinationen kann dies erreicht werden. Dadurch kann die Belastung des Varioheizelementes RVHE geringer sein, als die theoretisch maximal Mögliche.
Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Dabei ist jedes Hybridheizelement 2 in Parallelschaltung ausgeführt, wobei jeweils ein Konstantheizelement R1 ... Rn parallel zu einem Varioheizelement Ra ... Rz angeordnet ist. In entsprechender Weise sind dann die einzelnen Hybridheizelemente 2 des dargestellten Heizmoduls 1 in Serie bzw. Reihe geschaltet. In Figur 7 ist schließlich eine Variante dargestellt, bei der die beiden Konzepte gemäß den Figuren 1 und 6 kombiniert sind. D.h. die Hybridheizelemente 2 des
Heizmoduls 1 sind parallel und/oder in Reihe geschaltet. Auch bei einer derartigen Schaltung kann jedem dieser Konstantheizelemente Ri ... Rn ein Ein-/Ausschalter zugeordnet werden.
Wie erläutert, sind die Konstantheizelemente Ra ... Rz vorzugsweise als Widerstandsheizelemente ausgeführt. Dabei kann jedes Widerstandsheizelement - wie in Figur 7 dargestellt - seinerseits aus einer Vielzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteten Widerstandsheizelementen R1/1 ... Ri/n bestehen. Dabei ist jedem dieser Widerstandsheizelemente R1/1 ... Ri/n wiederum ein Leistungshalbleiterelement Ra/i ... Rz/i zugeordnet, das in diesem Fall jedoch vorzugweise als Schalter zum Aktivieren oder Deaktivieren des zugeordneten Widerstandsheizelementes R1/1 ... Ri/n vorgesehen ist.
Vorzugsweise wird das Heizmodul 1 so ausgelegt, dass der überwiegende Teil, beispielsweise zwischen 70% und 90% der Gesamtheizleistung PGes. von den Konstantheizelementen Ri ... Rn und Rk aufgebracht wird und der Rest von dem Va oheizele- ment RVHE, SO dass dieses wie anhand der Figuren 3 bis 5 beschrieben für vergleichsweise geringe Heizleistungen PVHE ausgelegt sein kann.
Es ist jedoch auch möglich, die Heizleistung Pk des Konstantheizelementes Rk deutlich (bis 0%) zu reduzieren. Damit wird eine hohe Variabilität des Heizmoduls 1 ermöglicht, wobei dann das Varioheizelement RVHE für höhere Heizleistungen PVHE ausgelegt ist.
Offenbart ist ein elektrisches Heizmodul mit einem Hybridheizelement, bestehend aus zumindest einem Konstantheizelement und einem Varioheizelement, das mit Leistungshalbleitern ausgebildet ist und im Linearbetrieb arbeitet. Bezugszeichenliste:
1 Heizmodul
2 Hybridheizelement
Ri ... Rn, Rk Konstantheizelement
R1/1 ... Ri/n Heizelement
Si ... Sn Schalter / Ansteuerschaltung
Ra ... Rz, RVHE Va oheizelement
Ra/i ... Rz/n Heizelement
UHV Hochvoltspannung
Hi, H2, H3 Halbleiter
Ui , Ü2, Lb Spannung
W1. W2. W3 Widerstand
Pk Leistung des Konstantheizelementes
PVHE Leistung des Varioheizelementes r Summe Leistung des Hybridheizelements
PGes. Gesamtleistung

Claims

Patentansprüche
Elektrisches Heizmodul für einen Fluidheizer mit zumindest einem Konstantheizelement (Ri ... Rn, R), das über eine Ansteuerschaltung (Si ... Sn) ein- und ausschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Konstantheizelement (Ri ... Rn, Rk) ein als Leistungshalbleiter oder mit Leistungshalbleitern ausgebildetes Vario- heizelement (Ra ... Rz, RVHE) zugeordnet ist, das zur Regelung der Heizleistung im Linearbetrieb arbeitet oder betreibbar ist.
Heizmodul nach Patentanspruch 1 , wobei das Konstantheizelement (Ri ... Rn, Rk) und das Varioheizelement (Ra ... Rz, RVHE) als Hybridheizelement (2) in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Heizmodul nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei eine Vielzahl von Hybridheizelementen (2) vorgesehen ist.
Heizmodul nach Patentanspruch 3, wobei die Hybridheizelemente (2) in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Heizmodul nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das
Konstantheizelement (Ri ... Rn, Rk) aus einer Vielzahl von parallel und/oder in Reihe geschalteten Heizelementen (R1/1 ... Ri/n) besteht.
Heizmodul nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das
Konstantheizelement (Ri ... Rn, Rk) von einem oder mehreren Widerstandsheizelementen gebildet ist.
Heizmodul nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei dem
Konstantheizelement (Ri ... Rn, Rk) oder dem Heizelement (R1/1 ... Ri/n) ein Schalter (Sa ... Sz; Si ... Sn) oder ein Leistungshalbleiter zum Ein-/Ausschalten zugeordnet ist.
8. Heizmodul nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die
Gesamtleistung (PGes.) zwischen 0 und 12 kW einstellbar ist.
9. Heizmodul nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die
Gesamtleistung (PGes.) stufenlos einstellbar ist.
10. Fluidheizer mit einem Heizmodul (1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.
1 1 . Verfahren zur Ansteuerung eines Heizmoduls (1 ) mit einer Gesamtleistung (PGes.) nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, mit den Schritten:
- Betreiben des Konstantheizelementes (Ri ... Rn, Rk) mit einer konstanten Heizleistung (Pk), die unterhalb der Gesamtleistung (Pees.) liegt, und
- Betreiben des Varioheizelementes (Ra ... Rz, RVHE) mit einer variablen Heizleistung (PVHE), die sich in Kombination mit der konstanten Heizleistung des Konstantheizelementes (Ri ... Rn, Rk) zur Gesamtleistung (PGes.) summiert.
12. Verfahren nach Patentanspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistung des Varioheizelementes (Ra ... Rz, RVHE) gering gehalten oder minimiert wird.
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