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WO2025026926A1 - Electric heater - Google Patents

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Publication number
WO2025026926A1
WO2025026926A1 PCT/EP2024/071317 EP2024071317W WO2025026926A1 WO 2025026926 A1 WO2025026926 A1 WO 2025026926A1 EP 2024071317 W EP2024071317 W EP 2024071317W WO 2025026926 A1 WO2025026926 A1 WO 2025026926A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
strand
side switching
node
switching device
low
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.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/071317
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rudolf Haeussermann
Alexander HENNE
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.)
Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
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 Webasto SE filed Critical Webasto SE
Publication of WO2025026926A1 publication Critical patent/WO2025026926A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00Details of electric heating devices
    • H05B1/02Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227Applications
    • H05B1/023Industrial applications
    • H05B1/0236Industrial applications for vehicles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60HARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/22Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant
    • B60H1/2215Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant the heat being derived from electric heaters
    • B60H1/2218Heating, 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

Definitions

  • an electric heater in particular an electric heater for a vehicle, for example a motor vehicle, and a method for controlling or operating the electric heater.
  • Vehicles are increasingly being equipped with electric heaters, not only because of the current rise of electromobility. This has also been the case for some time now, at least for auxiliary or auxiliary heaters in vehicles powered by combustion engines, for example, when fuel supply lines can be saved.
  • Electric heaters which are intended for electric vehicles, for example, convert electrical energy into thermal energy in one or more heating resistors.
  • these heating resistors are often operated in a pulsed manner using pulse width modulation (PWM). More precisely, assigned power switches are controlled in a pulsed manner, which, due to their wiring, supply the heating resistor(s) as a load with a corresponding voltage, whereby the desired heating power can be set using a duty cycle.
  • PWM pulse width modulation
  • the input voltages to be used are in the high-voltage range, at 50 V or more, which is at least a factor of 2 higher than the input voltages used in the classic case, e.g. vehicles with combustion engines.
  • these high input voltages mean that a wide range of voltages must be covered, and they can therefore be used with comparatively unfavourable This can be accompanied by a reduction in duty cycles, particularly to extremely low duty cycles when small heating outputs are required, but this has the disadvantageous effect that high ripple currents can arise due to the resistances involved.
  • These are undesirable and in the worst case can spread through an electrical network to which the heater is connected, e.g. a vehicle's electrical system.
  • the ripple currents can be filtered out again by further measures, but this increases overall costs and effort.
  • An approach described in WO 2017/186958 A1 for example, to reduce ripple currents that are based on common-mode currents caused by capacitances can consist of dividing a total resistance connected between the poles of the input voltage into several individual or partial heating resistors.
  • a switching device set up on the high side (with respect to the input voltage) and a switching device set up on the low side are connected in series with the partial heating resistors arranged between them and are switched on and off synchronously using PWM.
  • a node that is at an intermediate potential can also be set up between two of the partial heating resistors connected in series.
  • Another approach involves setting up several heating resistors, which can then be connected in parallel or in series using power switches in order to further reduce the ripple current, among other things.
  • the aim is to select a total resistance for a given voltage and a desired heating power using a suitable parallel or series connection, which is dimensioned in such a way that the highest possible duty cycle is required for the pulse width modulation.
  • DE 10 2016 109 039 A1 discloses a heater for motor vehicles, among other things.
  • This comprises three parallel strands, each with a heating resistor consisting of an ohmic resistance and an inductance.
  • the individual strands are each set up to be controllable by a low-side PWM control.
  • a diode can be connected anti-parallel to the series connection of resistance and inductance in the heating resistor in order to prevent or reduce voltage peaks in the negative direction.
  • DE 31 33 325 A1 discloses a power supply circuit for an electrical consumer with heating resistors connected in two parallel strands and a fan motor.
  • the fan motor is connected in the middle branch of a diode bridge, which is connected on the one hand to taps of the two heating resistors and on the other hand to a pole of the supplying AC voltage source.
  • DE 10 2007 006 438 A1 discloses a circuit for simultaneously controlling an arrangement of similar consumers.
  • Several consumers are connected in series and form a string.
  • Several such strings can be operated in parallel.
  • the number of consumers connected in series in a string can be selected depending on the operating voltage.
  • Connecting lines are set up between the relevant string lines, in which switches and/or consumers are arranged.
  • One switch is provided for each string.
  • the consumers are primarily light-emitting diodes with a forward voltage, whereby the switches are operated in such a way that a number of light-emitting diodes adapted to the operating voltage are connected in series in order to achieve maximum efficiency.
  • the LEDs are operated at a constant luminosity by means of current regulation.
  • Pulse width modulation is rejected due to the EMC emissions caused by ripple currents.
  • Resistive heating elements are also considered as consumers, but if these are ohmic resistors, the lack of forward voltage means that it remains unclear how the number of heating elements connected in series is selected in order to improve efficiency.
  • an electric heater comprising a first terminal carrying a voltage potential HV+ and a second terminal carrying a reference potential HV-, as well as a number of at least two strands that are connected in parallel between the first terminal and the second terminal.
  • At least one heating resistor is installed in each of the strands.
  • a high-side switching device is arranged in each of the strands between the heating resistor and the first terminal (voltage potential HV+) and a low-side switching device is arranged between the heating resistor in question and the second terminal (voltage potential HV-). Two switching devices are therefore provided in each strand.
  • the heating resistor can be composed of several individual or partial heating resistors connected in series. Additional components, in particular additional heating resistors, can optionally be provided between the two switching devices and the respective terminals. However, these can also be explicitly excluded.
  • a first node is set up between the high-side switching device and the low-side switching device.
  • a second node electrically connected to the first node is set up between the high-side switching device and the low-side switching device.
  • the nodes are arranged in their strands in such a way that the corresponding heating resistors can be switched by the switching devices of the first strand and the second strand either in series via the connected nodes or individually between the voltage and reference potential.
  • the first node is connected between the relevant heating resistor and the relevant low-side switching device of the first strand
  • the second node is connected between the relevant high-side switching device and the relevant heating resistor of the second strand.
  • the node can also be located between two of these partial heating resistors. It is important that at least one partial heating resistor in the second strand is connected between the relevant node and the low-side switching device.
  • the switching devices can be power switches, in particular semiconductor switches such as bipolar transistors, field effect transistors, or IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), or power MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors), e.g. silicon carbide MOSFETs.
  • semiconductor switches such as bipolar transistors, field effect transistors, or IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), or power MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors), e.g. silicon carbide MOSFETs.
  • the starting point of embodiments of the invention is therefore a structure of parallel strands, each with at least one heating resistor, which can be switched by high- and low-side switching devices, in particular by pulse width modulation, as described in the prior art.
  • the special feature of the present embodiments is that, due to the special arrangement, switching between parallel operation of the heating resistors and corresponding serial operation does not have to be carried out synchronously by two switching devices, but instead sequential switching is made possible, with only one switching device opening or closing at a given time. This alone leads to an improvement in the situation, because with synchronous When two switching devices are connected in series, not quite exact timing of the pulses can lead to common mode ripple.
  • the circuit arrangement of the electric heater can be set up to limit both the change in the current flow and the voltage applied to it (when the switching device is open) to a fraction of the maximum value, e.g. to half, during such a switching process of a respective switching device. In any case, this already significantly reduces the ripple current.
  • a corresponding method for controlling the electric heater accordingly provides, according to aspects of the invention, that after providing the voltage between the first terminal with the (operating) voltage potential and the second terminal with the reference voltage potential, a state is first set in which one of the two or more strands is activated, i.e. the high- and low-side switching devices are switched on, so that the relevant first heating resistor of the first strand is exposed to the full input voltage and a maximum current flows through it, and another second strand assigned via the nodes is inactive, i.e. the high- and low-side switching devices are switched off and therefore no current flows through the relevant second heating resistor in the second strand.
  • the low-side switching device of the second strand can now be switched on - alone or asynchronously. This opens an electrical connection between the first and second connections providing the input voltage, not only via the two switching devices of the first strand but also via the high-side switching device of the first strand and - via a connecting line between the two nodes - the low-side switching device of the second strand. However, no current flows through the latter connection in this switching state.
  • the low-side switching device of the first strand is then switched off - also alone or asynchronously.
  • the described sequence of controlling the electric heater can be continued according to specific embodiments by switching on the high-side switching device of the second strand next (after a third period of time has elapsed after the low-side switching device of the first strand has been switched off).
  • the first strand is now deactivated and the second strand activated, since current only flows through the latter. This increases again (due to the fact that there is now only one heating resistor) from, for example, a halved value to a maximum value.
  • the system switches back from the serial or series connection of the heating resistors of the second strand to the individual, non-serial loading of a heating resistor, in contrast to the initial state set at the beginning, now in the second instead of the first strand.
  • the high-side switching device of the first string is switched off.
  • the heating operation is switched from the first to a second line by individualized switching devices that are not simultaneous, temporally decoupled switching processes.
  • the proposed electric heating and the corresponding control method make it possible to go through an intermediate step with series-connected heating resistors, in which the heating power only takes up a fraction of the maximum heating power (achievable by one string alone), e.g. , etc., but does not drop directly to zero.
  • the voltage and current jumps during the switching processes are therefore smaller compared to the state of the art.
  • PWM pulse width modulation
  • the switching devices By switching the switching devices on and off (or closing and opening) in a coordinated manner, they are each controlled directly in a pulse width modulated manner. Depending on the current path resulting from this in the circuit arrangement, this also results in pulse width modulation with regard to the current supply to the heating resistors and the voltage drop across them, and ultimately the heating power.
  • the PWM can provide a significantly reduced ripple power supply, particularly in the high power range.
  • the first node of the first strand and the second node of the second strand can be electrically connected by a connecting line.
  • an electrical component can be connected in the connecting line, which prevents a current flow from the second node to the first node.
  • This is preferably a diode.
  • each of the strands has a first node and a second node.
  • Power control can also be carried out using classic PWM, with only one of the strings being switched off at a time if possible.
  • the electric heater can have a control device that is configured to open and close the switching devices separately from one another and individually.
  • This control device can preferably be configured to adjust the heating power by actuating the switching devices using pulse width modulation, as already mentioned above.
  • the switching devices can only be actuated sequentially with an intermediate time interval.
  • the requirements for precise switching of the switching devices are not critical, so that the effort can be reduced here too.
  • the individual signals for controlling the switching devices each represent normal PWM signals, so that despite the seemingly complex process sequence, a simple PWM-modulated heating power curve results.
  • simplifications can be made in the components used, such as supplying the high-side switch control (driver) with simple bootstrap circuits, or using thyristors at this point. Furthermore, negative effects due to possible parasitic inductances of the resistors are significantly reduced, since the current changes are smaller and correspondingly smaller switch-off peaks occur at the switches.
  • Fig.1 is a circuit diagram of an electric heater according to an embodiment
  • Fig. 2A shows a schematic representation of a time diagram with the temporal course of the current flows resulting in the three heating resistors from Fig. 1 during operation during a PWM period;
  • Fig. 3A like Fig. 2A, but only for the current flow through one of the heating resistors;
  • Fig. 3B shows a schematic representation of a timing diagram with the temporal course of the voltage drop at the low-side switching device of the first phase during a PWM period
  • Fig. 4A shows the circuit diagram from Fig. 1 for a concrete switching state in which one third of the maximum heating power of a strand is achieved;
  • Fig. 4B shows the circuit diagram from Fig. 1 for a concrete switching state in which half of the maximum heating power of a strand is achieved;
  • Fig. 4C shows the circuit diagram from Fig. 1 for a concrete switching state in which one and a half times the maximum heating power of a strand is achieved.
  • Embodiments relate to an electric heater 100 that converts electrical energy into heat in order to heat a medium or a volume directly or indirectly.
  • a medium can be a fluid, for example a gas such as air or a liquid such as water.
  • the electric heater is intended in particular for mobile use, for example for a vehicle, preferably a hybrid or purely electrically operated motor vehicle.
  • Fig. 1 shows a circuit diagram of an electric heater 100 for a motor vehicle, according to an embodiment.
  • An (operating) voltage potential HV+ is provided via a line connected to a first connection 1, e.g. directly or indirectly from a vehicle battery (not shown).
  • a reference or reference potential HV- e.g. a ground or mass potential, is provided via a line connected to a second connection 2.
  • the two lines are considered to be part of the two connections 1, 2.
  • the voltage determined by the potential difference between the voltage potential HV+ and the reference potential HV- is 50 volts or more (high-voltage range) in modern electrically powered motor vehicles.
  • Three strands 10, 20, 30 are interposed in a parallel arrangement between the two connections 1, 2. In alternative embodiments, 2 or 4 or more of the strands shown in Fig. 1 can also be provided.
  • All three strands 10, 20, 30 are identical.
  • Each strand 10, 20, 30 has a heating resistor R1, R2, R3, which according to optional embodiments can be divided into various partial resistors (not shown).
  • the heating resistors R1, R2, R3 are each arranged between switching devices S1 - S6 set up within each strand. For example, a high-side switching device S1, a heating resistor R1 and a low-side switching device S4 are connected in series in the first strand 10.
  • a high-side switching device S2 a heating resistor R2 and a low-side switching device S5 are connected in series in the second strand 20
  • a high-side switching device S3, a heating resistor R3 and a low-side switching device S6 are connected in series in the third strand 30.
  • the heating resistors can be equipped with a high resistance value compared to line resistors in order to convert electrical energy into heat when current flows and to release this heat into a fluid.
  • a heating resistor can, for example, be designed in the form of a line wire or heating wire wound into a coil. Possible materials include cold or hot conductors, ceramics and metals, and all of the embodiments listed here are not limited to specific materials and functions.
  • the switching devices S4 - S6, which are identical in the embodiment, can be power switches, e.g. power MOSFETs or IGBTs etc.
  • the switching devices S1 - S3, which are identical in design, can also be power switches of the type mentioned, or thyristors.
  • the drivers (not shown) of the high-side switching devices can have a bootstrap circuit with a simple structure, e.g. in a known manner from just one capacitor and one diode.
  • the switching devices S1 - S6 are controlled or opened or closed by means of drivers by a control device 200.
  • the control device 200 comprises a pulse width modulation device (not shown) which individually sets an opening and closing time for each switching device.
  • None of the switching devices S1 to S6 shown in Figure 1 opens or closes at the same time as another of the switching devices S1 to S6, i.e. the opening and closing times are coordinated with one another, in particular the cycle or period length is identical for each of the switching devices S1 - S6, but the individual pulses are not switched at the same time but rather decoupled from one another in time, although they can overlap one another in time.
  • the time interval between a closing time and an opening time determines the pulse duration.
  • the pulse duration is determined depending on the desired heating output.
  • the pulse duration is calculated from a predetermined heating power in the control device 200. For this purpose, the pulse duration can be variably set by the control device 200 for each of the switching devices S1 - S6.
  • Each of the strands 10, 20, 30 comprises two nodes which are arranged on a strand length between the respective switching devices.
  • Each node represents a tapping point for a connecting line to a different one of the strands in the electric heater 100.
  • a first node N4 is set up between the low-side switching device S4 and the heating resistor R1. Furthermore, a second node N1 is set up between the high-side switching device S1 and the heating resistor R1.
  • a first node N5 is set up between the low-side switching device S5 and the heating resistor R2.
  • a second node N2 is set up between the high-side switching device S2 and the heating resistor R2.
  • a first node N6 is also set up between the low-side switching device S6 and the heating resistor R3.
  • a second node N3 is set up between the high-side switching device S3 and the heating resistor R3.
  • the first node N4, N5, N6 is connected via a connecting line to the second node N1, N2, N3 of an adjacent strand.
  • a diode D1, D2, D3 is provided, the anode connection of which is connected to the corresponding first node N4, N5, N6 and the cathode connection of which is connected to the second node N1, N2, N3 assigned via the connecting line.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a time diagram with the temporal progression of the current flows resulting in the 3 heating resistors from Fig. 1 during operation during a PWM period for the switching cycle of the switching devices S1 - S6, whereby this PWM period begins, for example, at time t0 and ends at time t12, at which the same state as time t0 is reached.
  • Each of the switching devices S1 - S6 is operated individually in a pulse width modulated manner according to a corresponding period as shown in Fig. 2A, whereby the switching times can be variably set and the resulting window widths determine the heating power.
  • Fig. 2B shows the overall current flow resulting in the circuit arrangement. The unit for the current flow selected on the coordinate axis is chosen so that the maximum current flowing through a single strand has the value "1". It is ideally assumed that the voltage provided is essentially constant over time.
  • the "activation" of a strand here refers to the state of the first strand 10 described above. In this state, the maximum current flows through the first strand 10, with only the heating resistor R1 of the first strand 10 being loaded.
  • the low-side switching device S5 of the second string 20 is switched on by the control device 200, as can be seen by the upward arrow behind the switch designation in Fig. 2A.- 3B - switching off is indicated in the figures by the downward arrow behind the switch designation.
  • the current path does not change due to the additional heating resistor R2 seen from the first node N4 of the first string 10 when a current path via the connecting line to the second node N2 of the second string 20 is considered.
  • the low-side switching device S4 of the first branch 10 is now switched off.
  • the current path changes and includes the high-side switching devices S1, the heating resistor R1 and the first node N4 of the first branch 10, the diode D2 of the connecting line as well as the second node N2, the heating resistor R2 and the low-side switching device S5.
  • Fig. 4B The heating resistors R1 and R2 are connected in series.
  • the corresponding current flows IRI and IR2 are now at a factor of 0.5, as can be seen in Fig. 2a, as is the total current flow ISUM, as can be seen in Fig. 2B, which reflects the heating power.
  • FIG. 3A once again illustrates the current flow through the heating resistor R2 of the second phase 20
  • Figure 3B specifically shows the voltage drop across the low-side switching device S4 of the first phase 10 during the illustrated PWM period for switching the switching devices S1 - S6.
  • the switching device S4 opens
  • the current that does not flow from this point onwards which falls from 0.5 to 0 (and not from 1 to 0).
  • the switching process is not load-free, the load on the switch S4 is reduced.
  • Switching device S2 is switched on. This activates the second line 20.
  • a Current now only flows through the heating resistor R2 of the second strand 20. Accordingly, the current flow IR2 through the heating resistor, which is now only loaded individually (and no longer in series), increases to the value "1" (for the heating resistor R1, this value drops to "0" because the same voltage potential is present at the nodes N1 and N2).
  • the high-side switching device S1 in the first string 10 is switched off.
  • the activation is now completely transferred from the first string 10 to the second string 20.
  • the voltage potential dropping at the switching device S4 from this switching time t4 onwards can no longer be precisely determined, since the collector or drain side of the switching device S4 is no longer connected to the voltage supply and "floats", so to speak. This state lasts until the switching time t9, at which the switching device S4 closes.
  • the actual voltage drop can be determined by parasitic capacitances and resistances. This is shown schematically in Fig. 3B by a dotted line.
  • the same steps are repeated in an analogous order for the transition of the activation from the third strand 30 back to the first strand 10, whereby the initial state is reached.
  • the low-side switching device S4 of the first strand 10 is switched on again at switching time t9, the high-side switching device S1 at switching time t11.
  • the initial state chosen here is arbitrary and can instead be any other according to the time intervals shown in Figs. 2A - 3B. It should also be noted that the time intervals or
  • Time periods (t1 -tO, t2-t1, t3-t2, t4-t3, t5-t4 etc.) are significantly longer than unavoidable delays occurring within error tolerances in switching events controlled by the control device. In any case, the time periods significantly exceed a period within which a current flow stabilizes after a switch is switched on.
  • FIG. 2B shows the resulting total current flow through the electric heater 100, which corresponds to the heating power and is set by the pulse width modulation of the individual switching devices.
  • the width of the pulses can be set by a suitable choice of the times t0 to t12.
  • Each switching device S1 - S6 is switched on and off once during the PWM period, with the switching times being set separately from one another.
  • the current flow made up of all the PWM signals takes on two levels in the embodiment shown: 1.0 and 0.5.
  • a cycle can be selected in which - as shown in Fig. 4A - not only is switching alternately carried out between individual and two series-connected heating resistors R1 - R3, but also a state is included in which three series-connected heating resistors are present.
  • the value 0.33 (one third) is then achieved for the current flow.
  • additional strands e.g. 4, 5 or 6 strands, etc.
  • this value can be reduced further.
  • Analogously - as shown in Fig. 4C - the strand not currently affected by the transfer process described above can also be switched to active instead of inactive.
  • a value of 1.5 is achieved.
  • the diodes D1, D2 and D3 serve to prevent a short circuit.
  • the selected switching sequence does not result in the case where, for example, the switching devices S2 and S4 are switched on at the same time.
  • the diodes could conceivably be dispensed with according to further embodiments.
  • the diodes therefore represent a reliable safety device and allow the greatest flexibility of the circuit arrangement.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Resistance Heating (AREA)

Abstract

The invention relates to an electric heater (100), comprising: a first connection which conducts a voltage potential (HV+) and a second connection which conducts a reference potential (HV-); and a number of at least two strands (10, 20, 30) which are connected in parallel between the first connection and the second connection. At least one heat resistor (R1, R2, R3) is arranged in each strand (10, 20, 30), and in each strand (10, 20, 30), a high-side switch device (S1, S2, S3) is arranged between the heat resistor (R1, R2, R3) and the first connection (HV+) and a low-side switch device (S4, S5, S6) is arranged between the heat resistor (R1, R2, R3) and the second connection (HV-). A first node (N4, N5, N6) is arranged between the high-side switch device (S1, S2, S3) and the low-side switch device (S4, S5, S6) in a first strand of the strands (10, 20, 30), and a second node (N1, N2, N3) which is electrically connected to the first node (N4, N5, N6) is arranged between the high-side switch device (S1, S2, S3) and the low-side switch device (S4, S5, S6) in a second strand of the strands (10, 20, 30). The corresponding heat resistors (R1, R2, R3) can be connected by the switch devices (S1 – S6) of the first strand and the second strand in a selective manner in series via the connected nodes (N1 – N6) or individually between the voltage and reference potential in each case.

Description

ELEKTRISCHE HEIZUNG ELECTRIC HEATING

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Technisches Gebiet technical field

Verschiedene Aspekte betreffen eine elektrische Heizung, insbesondere eine elektrischer Heizung für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum Steuern bzw. Betreiben der elektrischen Heizung. Various aspects relate to an electric heater, in particular an electric heater for a vehicle, for example a motor vehicle, and a method for controlling or operating the electric heater.

Technischer Hintergrund Technical Background

Fahrzeuge werden nicht nur aufgrund der sich aktuell durchsetzenden Elektromobilität zunehmend mit elektrischen Heizungen ausgestattet. Dies gilt vielmehr auch schon seit einiger Zeit mindestens für Stand- oder Zusatzheizungen in z.B. durch Verbrennungsmotoren angetriebene Fahrzeuge, wenn z.B. Brennstoffzuleitungen einzusparen sind. Vehicles are increasingly being equipped with electric heaters, not only because of the current rise of electromobility. This has also been the case for some time now, at least for auxiliary or auxiliary heaters in vehicles powered by combustion engines, for example, when fuel supply lines can be saved.

Elektrische Heizgeräte, die z.B. für Elektrofahrzeuge vorgesehen sind, wandeln in einem oder mehreren Heizwiderständen elektrische Energie in thermische Energie um. Zur Leistungsregelung werden diese Heizwiderstände oftmals mittels Pulsweitenmodulation (PWM) gepulst betrieben. Genauer gesagt werden jeweils zugeordnete Leistungsschalter gepulst angesteuert, welche aufgrund ihrer Verschaltung den oder die Heizwiderstände als Last mit einer entsprechenden Spannung versorgen, wobei über einen Tastgrad die gewünschte Heizleistung eingestellt werden kann. Electric heaters, which are intended for electric vehicles, for example, convert electrical energy into thermal energy in one or more heating resistors. To regulate the power, these heating resistors are often operated in a pulsed manner using pulse width modulation (PWM). More precisely, assigned power switches are controlled in a pulsed manner, which, due to their wiring, supply the heating resistor(s) as a load with a corresponding voltage, whereby the desired heating power can be set using a duty cycle.

Insbesondere im Fall von Elektrofahrzeugen liegen die hier einzusetzenden Eingangsspannungen allerdings im Hochvoltbereich, bei 50 V oder mehr, welches mindestens einen Faktor 2 über denjenigen Eingangsspannungen, wie sie im klassischen Fall verwendet werden, z.B. Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Diese hohen Eingangsspannungen bringen in der Praxis einen weiten abzudeckenden Bereich von Spannungen mit sich, sie können dadurch nun mit vergleichsweise ungünstigen Tastverhältnissen einhergehen, insbesondere hin zu äußerst geringen Tastgraden, wenn kleine Heizleistungen angefordert werden, welches aber den nachteiligen Effekt herbeiführt, dass aufgrund der involvierten Widerstände hohe Rippelströme entstehen können. Diese sind unerwünscht und können sich schlimmstenfalls über ein elektrisches Netz ausbreiten, an welches die Heizung angeschlossen ist, z.B. ein Bordnetz des Fahrzeugs. Die Rippelströme können durch weitere Maßnahmen wieder gefiltert werden, welches jedoch insgesamt Kosten und Aufwand erhöht. In the case of electric vehicles in particular, the input voltages to be used are in the high-voltage range, at 50 V or more, which is at least a factor of 2 higher than the input voltages used in the classic case, e.g. vehicles with combustion engines. In practice, these high input voltages mean that a wide range of voltages must be covered, and they can therefore be used with comparatively unfavourable This can be accompanied by a reduction in duty cycles, particularly to extremely low duty cycles when small heating outputs are required, but this has the disadvantageous effect that high ripple currents can arise due to the resistances involved. These are undesirable and in the worst case can spread through an electrical network to which the heater is connected, e.g. a vehicle's electrical system. The ripple currents can be filtered out again by further measures, but this increases overall costs and effort.

Ein z.B. in WO 2017/186958 A1 beschriebener Ansatz zur Reduktion von Rippelströmen, die auf durch Kapazitäten verursachten Gleichtaktströmen beruhen, kann darin bestehen, einen zwischen den Polen der Eingangsspannung verschalteten Gesamtwiderstand in mehrere Einzel- oder Teilheizwiderstände zu unterteilen. Eine hochseitig (in Bezug auf die Eingangsspannung) eingerichtete Schalteinrichtung sowie eine niederseitig eingerichtete Schalteinrichtung sind mit den zwischen diesen angeordneten Teilheizwiderständen in Reihe verschaltet und werden mittels PWM synchron ein- und ausgeschaltet. Optional kann zwischen zwei der in Reihe geschalteten Teilheizwiderstände auch ein Knoten eingerichtet sein, der auf einem Zwischenpotential liegt. An approach described in WO 2017/186958 A1, for example, to reduce ripple currents that are based on common-mode currents caused by capacitances can consist of dividing a total resistance connected between the poles of the input voltage into several individual or partial heating resistors. A switching device set up on the high side (with respect to the input voltage) and a switching device set up on the low side are connected in series with the partial heating resistors arranged between them and are switched on and off synchronously using PWM. Optionally, a node that is at an intermediate potential can also be set up between two of the partial heating resistors connected in series.

Ein weiterer z.B. in DE 10 2011 009 672 A1 oder in DE 10 2011 007 817 A1 beschriebener Ansatz sieht vor, mehrere Heizwiderstände einzurichten, die dann mittels Leistungsschaltern wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet werden können, um unter anderem den Rippelstrom weiter zu reduzieren. Ziel ist es dabei, für eine gegebene Spannung und eine gewünschte Heizleistung durch eine geeignete Paralleloder Reihenschaltung einen Gesamtwiderstand auszuwählen, der so bemessen ist, dass ein möglichst hoher Tastgrad für die Pulsweitenmodulation erforderlich wird. Another approach, described in DE 10 2011 009 672 A1 or DE 10 2011 007 817 A1, for example, involves setting up several heating resistors, which can then be connected in parallel or in series using power switches in order to further reduce the ripple current, among other things. The aim is to select a total resistance for a given voltage and a desired heating power using a suitable parallel or series connection, which is dimensioned in such a way that the highest possible duty cycle is required for the pulse width modulation.

Diese Lösungsansätze können jedoch einen Nachteil dahingehend mit sich bringen, dass eine Reihenschaltung einen Rippelstrom nur im unteren Leistungsbereich reduziert. Ferner ist ein Umschaltübergang zwischen der Reihen- und der Parallelschaltung nicht ohne Weiteres direkt sinnvoll. Jedenfalls wäre in einem solchen Fall ein exaktes Timing der Schaltzeiten für die Leistungsschalter kritisch. Eine ungenaue Koordination der Umschaltabläufe zwischen den Leistungsschaltern oder zu hohe Toleranzen können theoretisch sogar zu solchen die Bauelemente schädigenden Stromflüssen führen. Ferner kann der Fall eintreten, dass die Heizleistung nicht gleichmäßig über die einzelnen (Teil-)Heizwiderstände verteilt ist. Ein solcher Sachverhalt kann eine leistungsmäßige Überdimensionierung der Heizwiderstände erforderlich machen, was wiederum eine unnötige Erhöhung des Aufwands und der Kosten zur Folge hat. However, these solutions can have a disadvantage in that a series connection only reduces a ripple current in the lower power range. Furthermore, a switching transition between the series and parallel connection is not immediately useful. In any case, in such a case, exact timing of the switching times for the circuit breakers would be critical. A Inaccurate coordination of the switching processes between the circuit breakers or excessive tolerances can theoretically even lead to current flows that damage the components. It can also happen that the heating power is not evenly distributed across the individual (partial) heating resistors. Such a situation can make it necessary to over-dimension the heating resistors in terms of power, which in turn results in an unnecessary increase in effort and costs.

Die DE 10 2016 109 039 A1 offenbart einen Heizer u.a. für Kraftfahrzeuge. Dieser umfasst drei parallele Stränge mit je einem sich aus einem ohmschen Widerstand und einer Induktivität zusammensetzenden Heizwiderstand. Die einzelnen Stränge sind jeweils durch eine niederseitige PWM-Ansteuerung steuerbar eingerichtet. Antiparallel zu der Reihenschaltung aus Widerstand und Induktivität im Heizwiderstand kann aus Sicherheitsgründen eine Diode geschaltet sein, um Spannungsspitzen in negativer Richtung zu unterbinden oder zu verringern. DE 10 2016 109 039 A1 discloses a heater for motor vehicles, among other things. This comprises three parallel strands, each with a heating resistor consisting of an ohmic resistance and an inductance. The individual strands are each set up to be controllable by a low-side PWM control. For safety reasons, a diode can be connected anti-parallel to the series connection of resistance and inductance in the heating resistor in order to prevent or reduce voltage peaks in the negative direction.

Die DE 31 33 325 A1 offenbart eine Stromversorgungsschaltung für einen elektrischen Verbraucher mit in zwei parallelen Strängen geschalteten Heizwiderständen und einem Gebläsemotor. Der Gebläsemotor ist in den mittleren Zweig einer Diodenbrücke geschaltet, die einerseits an Abgriffe der beiden Heizwiderstände und andererseits an einen Pol der speisenden Wechselspannungsquelle angeschlossen ist. DE 31 33 325 A1 discloses a power supply circuit for an electrical consumer with heating resistors connected in two parallel strands and a fan motor. The fan motor is connected in the middle branch of a diode bridge, which is connected on the one hand to taps of the two heating resistors and on the other hand to a pole of the supplying AC voltage source.

Die DE 10 2007 006 438 A1 offenbart eine Schaltung zur gleichzeitigen Ansteuerung einer Anordnung gleichartiger Verbraucher. Mehrere Verbraucher sind seriell geschaltet und bilden einen Strang aus. Mehrere solcher Stränge sind parallel betreibbar. Die Anzahl der in einem Strang seriell geschalteten Verbraucher ist in Abhängigkeit von der Betriebsspannung auswählbar. Zwischen den betreffenden Strangleitungen sind Verbindungsleitungen eingerichtet, in welchen Schalter und/oder Verbraucher angeordnet sind. Je Strang ist ein Schalter vorgesehen. Bei den Verbrauchern handelt es sich primär um Leuchtdioden mit einer Flussspannung, wobei die Schalter so betrieben werden, dass eine an die Betriebsspannung angepasste Anzahl von Leuchtdioden in Serie geschaltet wird, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Durch eine Stromregelung werden die Leuchtdioden mit konstanter Leuchtstärke betrieben. Eine Pulsweitenmodulation wird aufgrund der durch Rippelströme verursachten EMV-Abstrahlung abgelehnt. Resistive Heizelemente werden ebenfalls als Verbraucher erwogen, handelt es sich dabei jedoch um ohmsche Widerstände, so bleibt mangels Flussspannung offen, nach welchen Gesichtspunkten die Anzahl der seriell verschalteten Heizelemente ausgewählt wird, um den Wirkungsgrad zu verbessern. DE 10 2007 006 438 A1 discloses a circuit for simultaneously controlling an arrangement of similar consumers. Several consumers are connected in series and form a string. Several such strings can be operated in parallel. The number of consumers connected in series in a string can be selected depending on the operating voltage. Connecting lines are set up between the relevant string lines, in which switches and/or consumers are arranged. One switch is provided for each string. The consumers are primarily light-emitting diodes with a forward voltage, whereby the switches are operated in such a way that a number of light-emitting diodes adapted to the operating voltage are connected in series in order to achieve maximum efficiency. The LEDs are operated at a constant luminosity by means of current regulation. Pulse width modulation is rejected due to the EMC emissions caused by ripple currents. Resistive heating elements are also considered as consumers, but if these are ohmic resistors, the lack of forward voltage means that it remains unclear how the number of heating elements connected in series is selected in order to improve efficiency.

Es besteht infolgedessen das Bedürfnis nach einer elektrischen Heizung und/oder einem Verfahren zum Steuern derselben, bei der/dem die oben beschriebenen Nachteile überwunden werden und insbesondere Rippelströme weiter reduziert werden können. There is therefore a need for an electric heater and/or a method for controlling the same, in which the disadvantages described above can be overcome and, in particular, ripple currents can be further reduced.

Darstellung verschiedener Aspekte presentation of various aspects

Aspekten der Erfindung zufolge, die solchen Bedürfnissen Rechnung tragen können, ist eine elektrische Heizung vorgeschlagen, die einen ein Spannungspotential HV+ führenden ersten Anschluss sowie einen ein Bezugspotential HV- führenden zweiten Anschluss sowie eine Anzahl von wenigstens zwei Strängen umfasst, die parallel zueinander zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet sind. In jedem der Stränge ist wenigstens ein Heizwiderstand eingerichtet. Des Weiteren ist in jedem der Stränge zwischen dem Heizwiderstand und dem ersten Anschluss (Spannungspotential HV+) eine hochseitige Schalteinrichtung sowie zwischen dem betreffenden Heizwiderstand und dem zweiten Anschluss (Spannungspotential HV-) eine niederseitige Schalteinrichtung angeordnet. Mithin sind in jedem Strang zwei Schalteinrichtungen vorgesehen. Der Heizwiderstand kann aus mehreren in Reihe geschalteten Einzel- oder Teilheizwiderständen zusammengesetzt sein. Zwischen den beiden Schalteinrichtungen und den jeweiligen Anschlüssen können optional weitere Bauelemente, insbesondere auch zusätzliche Heizwiderstände vorgesehen sein. Diese können aber auch explizit ausgeschlossen sein. According to aspects of the invention that can take such needs into account, an electric heater is proposed that comprises a first terminal carrying a voltage potential HV+ and a second terminal carrying a reference potential HV-, as well as a number of at least two strands that are connected in parallel between the first terminal and the second terminal. At least one heating resistor is installed in each of the strands. Furthermore, a high-side switching device is arranged in each of the strands between the heating resistor and the first terminal (voltage potential HV+) and a low-side switching device is arranged between the heating resistor in question and the second terminal (voltage potential HV-). Two switching devices are therefore provided in each strand. The heating resistor can be composed of several individual or partial heating resistors connected in series. Additional components, in particular additional heating resistors, can optionally be provided between the two switching devices and the respective terminals. However, these can also be explicitly excluded.

In einem ersten der Stränge ist zwischen der hochseitigen Schalteinrichtung und der niederseitigen Schalteinrichtung ein erster Knoten eingerichtet. In einem zweiten der Stränge ist zwischen der hochseitigen Schalteinrichtung und der niederseitigen Schalteinrichtung ein mit dem ersten Knoten elektrisch verbundener zweiter Knoten eingerichtet. Die Knoten sind in ihren Strängen so angeordnet, dass die entsprechenden Heizwiderstände durch die Schalteinrichtungen des ersten Strangs und des zweiten Strangs wahlweise seriell über die verbundenen Knoten oder jeweils einzeln zwischen das Spannungs- und das Bezugspotential geschaltet werden können. In a first of the strands, a first node is set up between the high-side switching device and the low-side switching device. In a second of the A second node electrically connected to the first node is set up between the high-side switching device and the low-side switching device. The nodes are arranged in their strands in such a way that the corresponding heating resistors can be switched by the switching devices of the first strand and the second strand either in series via the connected nodes or individually between the voltage and reference potential.

Dies kann einem Ausführungsbeispiel folgend erreicht werden, indem der erste Knoten zwischen den betreffenden Heizwiderstand und die betreffende niederseitige Schalteinrichtung des ersten Strangs geschaltet ist, und der zweite Knoten zwischen die betreffende hochseitige Schalteinrichtung und den betreffenden Heizwiderstand des zweiten Strangs geschaltet ist. Im Fall mehrerer Teilheizwiderstände kann der Knoten auch jeweils zwischen zweien dieser Teilheizwiderstände liegen. Wichtig ist, dass wenigstens ein Teilheizwiderstand im zweiten Strang zwischen dem betreffenden Knoten und der niederseitigen Schalteinrichtung geschaltet ist. This can be achieved according to one embodiment in that the first node is connected between the relevant heating resistor and the relevant low-side switching device of the first strand, and the second node is connected between the relevant high-side switching device and the relevant heating resistor of the second strand. In the case of several partial heating resistors, the node can also be located between two of these partial heating resistors. It is important that at least one partial heating resistor in the second strand is connected between the relevant node and the low-side switching device.

Bei den Schalteinrichtungen kann es sich um Leistungsschalter handeln, insbesondere Halbleiterschalter wie etwa Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren, oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate), oder Leistungs- MOSFETs (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren), z.B. Silicium-Carbid-MOSFETs. The switching devices can be power switches, in particular semiconductor switches such as bipolar transistors, field effect transistors, or IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), or power MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors), e.g. silicon carbide MOSFETs.

Ausgangspunkt von Ausführungsbeispielen der Erfindung ist folglich ein Aufbau paralleler Stränge mit je wenigstens einem Heizwiderstand, der jeweils wie im Stand der Technik beschrieben von hoch- und niederseitigen Schalteinrichtungen geschaltet werden kann, insbesondere durch Pulsweitenmodulation. Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsbeispiele liegt dabei aber darin, dass durch die spezielle Anordnung das Umschalten zwischen parallelem Betrieb der Heizwiderstände und entsprechendem seriellen Betrieb nicht durch zwei Schalteinrichtungen synchron zu erfolgen braucht, sondern dass stattdessen ein sequentielles Schalten ermöglicht wird, wobei zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur eine Schalteinrichtung öffnet oder schließt. Dies allein führt zu einer Verbesserung der Situation, weil bei der synchronen Schaltung zweier in Reihe geschalteter Schalteinrichtungen ein nicht ganz exaktes Timing der Pulse zu einem Gleichtakt-(Common Mode)-Rippel führen kann. The starting point of embodiments of the invention is therefore a structure of parallel strands, each with at least one heating resistor, which can be switched by high- and low-side switching devices, in particular by pulse width modulation, as described in the prior art. The special feature of the present embodiments is that, due to the special arrangement, switching between parallel operation of the heating resistors and corresponding serial operation does not have to be carried out synchronously by two switching devices, but instead sequential switching is made possible, with only one switching device opening or closing at a given time. This alone leads to an improvement in the situation, because with synchronous When two switching devices are connected in series, not quite exact timing of the pulses can lead to common mode ripple.

Darüber hinaus kann dadurch die Schaltungsanordnung der elektrischen Heizung eingerichtet sein, bei einem solchen Umschaltvorgang einer jeweiligen Schalteinrichtung sowohl die Änderung des Stromflusses als auch der (im geöffneten Zustand der Schalteinrichtung) an dieser anliegenden Spannung auf einen Bruchteil des Maximalwerts zu begrenzen, z.B. auf die Hälfte. Dies reduziert auf jeden Fall schon deutlich den Rippelstrom. Furthermore, the circuit arrangement of the electric heater can be set up to limit both the change in the current flow and the voltage applied to it (when the switching device is open) to a fraction of the maximum value, e.g. to half, during such a switching process of a respective switching device. In any case, this already significantly reduces the ripple current.

Ein entsprechendes Verfahren zum Steuern der elektrischen Heizung sieht dementsprechend Aspekten der Erfindung zufolge vor, nach dem Bereitstellen der Spannung zwischen dem ersten Anschluss mit dem (Betriebs-)Spannungspotential und dem zweiten Anschluss mit dem Bezugsspannungspotential zunächst einen Zustand einzustellen, in welchem von den zwei oder mehr Strängen der eine aktiviert ist, d.h. die hoch- und niederseitigen Schalteinrichtungen eingeschaltet sind, so dass der betreffende erste Heizwiderstand des ersten Strangs der vollen Eingangsspannung ausgesetzt ist und ein maximaler Strom durch diesen fließt, und ein anderer über die Knoten zugeordneter zweiter Strang inaktiv ist, d.h., die hoch- und niederseitigen Schalteinrichtungen ausgeschaltet sind und deshalb kein Strom durch den betreffenden zweiten Heizwiderstand im zweiten Strang fließt. A corresponding method for controlling the electric heater accordingly provides, according to aspects of the invention, that after providing the voltage between the first terminal with the (operating) voltage potential and the second terminal with the reference voltage potential, a state is first set in which one of the two or more strands is activated, i.e. the high- and low-side switching devices are switched on, so that the relevant first heating resistor of the first strand is exposed to the full input voltage and a maximum current flows through it, and another second strand assigned via the nodes is inactive, i.e. the high- and low-side switching devices are switched off and therefore no current flows through the relevant second heating resistor in the second strand.

Nach Ablauf einer ersten Zeitspanne nach dem Einstellen dieses Zustands kann nun - allein bzw. asynchron - die niederseitige Schalteinrichtung des zweiten Strangs eingeschaltet werden. Dadurch ist eine elektrische Verbindung zwischen den die Eingangsspannung bereitstellenden ersten und zweiten Anschlüssen nicht nur über die beiden Schalteinrichtungen des ersten Strangs sondern auch über die hochseitige Schalteinrichtung des ersten Strangs und - über eine Verbindungsleitung zwischen den beiden Knoten - der niederseitigen Schalteinrichtung des zweiten Strangs eröffnet. Über die letztgenannte Verbindung fließt allerdings in diesem Schaltzustand noch kein Strom. Nach Ablauf einer zweiten Zeitspanne nach dem Einschalten der niederseitigen Schalteinrichtung des zweiten Strangs wird nun nachfolgend - ebenfalls allein bzw. asynchron - die niederseitige Schalteinrichtung des ersten Strangs ausgeschaltet. Als Konsequenz fließt nun nur noch ein Strom über die hochseitige Schalteinrichtung und den ersten Heizwiderstand des ersten Strangs, die Verbindungsleitung zwischen den beiden Knoten, und den zweiten Heizwiderstand sowie die niederseitige Schalteinrichtung des zweiten Strangs. Wenn die Heizwiderstände der beiden Stränge identisch ausgelegt sind, welches einer bevorzugten Ausführungsform entspricht, dann halbiert sich nun der Stromfluss durch die Schaltungsanordnung, während sich die an der gerade geöffneten niederseitigen Schalteinrichtung anliegende Spannung auf den halben Wert der Eingangsspannung erhöht. Auch bei diesem Umschaltvorgang wird dadurch in gleicher weise wie vorher beim Schalten der niederseitigen Schalteinrichtung des zweiten Strangs der Rippelstrom vergleichsweise reduziert After a first period of time has elapsed after this state has been set, the low-side switching device of the second strand can now be switched on - alone or asynchronously. This opens an electrical connection between the first and second connections providing the input voltage, not only via the two switching devices of the first strand but also via the high-side switching device of the first strand and - via a connecting line between the two nodes - the low-side switching device of the second strand. However, no current flows through the latter connection in this switching state. After a second period of time has elapsed after the low-side switching device of the second strand is switched on, the low-side switching device of the first strand is then switched off - also alone or asynchronously. As a result, only one current now flows through the high-side switching device and the first heating resistor of the first strand, the connecting line between the two nodes, and the second heating resistor and the low-side switching device of the second strand. If the heating resistors of the two strands are designed identically, which corresponds to a preferred embodiment, then the current flow through the circuit arrangement is halved, while the voltage applied to the low-side switching device that has just been opened increases to half the value of the input voltage. During this switching process, the ripple current is also comparatively reduced in the same way as before when switching the low-side switching device of the second strand.

Der beschriebene Ablauf einer Steuerung der elektrischen Heizung kann gemäß speziellen Ausführungsbeispielen weiter fortgesetzt werden, indem als nächstes (nach Ablauf einer dritten Zeitspanne nach dem Ausschalten der niederseitigen Schalteinrichtung des ersten Strangs) nun die hochseitige Schalteinrichtung des zweiten Strangs eingeschaltet wird. Der erste Strang ist nun deaktiviert und der zweite Strang aktiviert, da nur durch Letzteren Strom fließt. Dieser erhöht sich damit wieder (aufgrund des nun nur noch einen Heizwiderstands) von dem z.B. halbierten Wert auf einen maximalen Wert. In diesem Schritt wird folglich von der seriellen bzw. Reihenschaltung der Heizwiderstände des zweiten Strangs wieder auf die einzelne, nichtserielle Belastung eines Heizwiderstands umgeschaltet, anders als im anfangs eingestellten Ausgangszustand nunmehr im zweiten anstatt dem ersten Strang. The described sequence of controlling the electric heater can be continued according to specific embodiments by switching on the high-side switching device of the second strand next (after a third period of time has elapsed after the low-side switching device of the first strand has been switched off). The first strand is now deactivated and the second strand activated, since current only flows through the latter. This increases again (due to the fact that there is now only one heating resistor) from, for example, a halved value to a maximum value. In this step, the system switches back from the serial or series connection of the heating resistors of the second strand to the individual, non-serial loading of a heating resistor, in contrast to the initial state set at the beginning, now in the second instead of the first strand.

Nach Ablauf einer vierten Zeitspanne nach dem Einschalten der hochseitigen Schalteinrichtung des zweiten Strangs erfolgt ein Ausschalten der hochseitigen Schalteinrichtung des ersten Strangs. After a fourth time period has elapsed after the high-side switching device of the second string has been switched on, the high-side switching device of the first string is switched off.

Bei diesem Betrieb wird im Ergebnis der Heizbetrieb vom ersten auf einen zweiten Strang durch individualisierte, zwischen jeweils zwei Schalteinrichtungen nicht gleichzeitige, zeitlich entkoppelte Umschaltvorgänge übertragen. Darüber hinaus machen es die vorgeschlagene elektrische Heizung und das entsprechende Steuerungsverfahren möglich, einen Zwischenschritt mit seriell verschalteten Heizwiderständen zu durchlaufen, in welchem die Heizleistung nur noch einen Bruchteil der (durch einen Strang allein erreichbaren) maximalen Heizleistung, z.B. , etc. einnimmt, aber nicht direkt auf Null absinkt. Insgesamt fallen dadurch die Spannungsund Stromsprünge während der Umschaltvorgänge im Vergleich zum Stand der Technik geringer aus. In this operation, the heating operation is switched from the first to a second line by individualized switching devices that are not simultaneous, temporally decoupled switching processes. In addition, the proposed electric heating and the corresponding control method make it possible to go through an intermediate step with series-connected heating resistors, in which the heating power only takes up a fraction of the maximum heating power (achievable by one string alone), e.g. , etc., but does not drop directly to zero. Overall, the voltage and current jumps during the switching processes are therefore smaller compared to the state of the art.

Gleichzeitig bleibt aber eine Steuerung der Schalteinrichtungen durch Pulsweitenmodulation (PWM) erhalten, denn der Tastgrad kann nach wie vor durch geeignetes Auswählen der Fensterbreiten der oben genannten Zeitspannen eingestellt werden. Durch aufeinander abgestimmtes Ein- und Ausschalten (bzw. Schließen und Öffnen) der Schalteinrichtungen werden diese jeweils unmittelbar pulsweitenmoduliert gesteuert. Je nach dem sich daraus in der Schaltungsanordnung ergebenden Strompfad resultiert infolgedessen aber auch eine Pulsweitenmodulation hinsichtlich der Bestromung der Heizwiderstände und des Spannungsfalls an diesen, letztendlich also der Heizleistung. Gerade weil aber wie im speziellen Ausführungsbeispiel beschrieben in Letzterem Fall die beiden Signalpegel der Pulsweitenmodulation von null verschieden sind (vgl. z.B. unten die Fig. 2B zum speziellen Ausführungsbeispiel), kann durch die PWM besonders auch im hohen Leistungsbereich eine deutlich rippelreduzierte Leistungsversorgung bereitgestellt werden. At the same time, however, control of the switching devices by pulse width modulation (PWM) is retained, because the duty cycle can still be set by appropriately selecting the window widths of the time periods mentioned above. By switching the switching devices on and off (or closing and opening) in a coordinated manner, they are each controlled directly in a pulse width modulated manner. Depending on the current path resulting from this in the circuit arrangement, this also results in pulse width modulation with regard to the current supply to the heating resistors and the voltage drop across them, and ultimately the heating power. However, precisely because, as described in the special embodiment, in the latter case the two signal levels of the pulse width modulation are different from zero (see, for example, Fig. 2B below for the special embodiment), the PWM can provide a significantly reduced ripple power supply, particularly in the high power range.

Wie oben erwähnt können der erste Knoten des ersten Strangs und der zweite Knoten des zweiten Strangs durch eine Verbindungsleitung elektrisch verbunden sein. In der Verbindungsleitung kann Ausführungsbeispielen zufolge ein elektrisches Bauelement verschaltet sein, das einen Stromfluss von dem zweiten Knoten zu dem ersten Knoten unterbindet. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Diode. Möglich wäre aber grundsätzlich auch ein weiterer Schalter in der Verbindungsleitung anstatt einer Diode, der zu einem geeigneten Zeitpunkt geöffnet bzw. geschlossen wird, um insbesondere einen Kurzschluss zwischen den Anschlüssen zu verhindern. Einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform zufolge weist jeder der Stränge jeweils einen ersten Knoten und einen zweiten Knoten auf. Hierbei werden bei dem beschriebenen Verfahrensablauf jedem Strang ein erster benachbarter Strang zugeordnet, auf den gemäß den beispielsweise vier Schritten (entsprechend vier Zeitspannen) die Aktivierung des jeweiligen Heizwiderstands übertragen werden kann, sowie ein zweiter benachbarter Strang zugeordnet, von welchem in analoger Weise die Aktivierung übertragen wird. Im Fall von insgesamt nur zwei Strängen kann die Übertragung der Aktivierung der Heizwiderstände wechselseitig erfolgen, d.h. die Anordnung von Schalteinrichtungen, Heizwiderständen, Knoten, Verbindungsleitungen und Dioden ist vollkommen symmetrisch. As mentioned above, the first node of the first strand and the second node of the second strand can be electrically connected by a connecting line. According to embodiments, an electrical component can be connected in the connecting line, which prevents a current flow from the second node to the first node. This is preferably a diode. In principle, however, it would also be possible to have another switch in the connecting line instead of a diode, which is opened or closed at a suitable time, in particular to prevent a short circuit between the connections. According to a further, particularly advantageous embodiment, each of the strands has a first node and a second node. In the process described, each strand is assigned a first adjacent strand to which the activation of the respective heating resistor can be transferred according to, for example, four steps (corresponding to four time periods), and a second adjacent strand is assigned from which the activation is transferred in an analogous manner. In the case of only two strands in total, the activation of the heating resistors can be transferred alternately, ie the arrangement of switching devices, heating resistors, nodes, connecting lines and diodes is completely symmetrical.

In Ausführungsbeispielen mit wenigstens drei Strängen kann außerdem der erste Knoten des zweiten Strangs mit dem zweiten Knoten eines von dem ersten Strang verschiedenen dritten Strangs verbunden sein. Ist ein vierter Strang vorhanden, so kann ein erster Knoten des dritten Strangs mit einem zweiten Knoten des vierten Strangs verbunden sein. In dieser Weise können alle Stränge der Reihe nach über Verbindungsleitungen zwischen den jeweils beteiligten ersten und zweiten Knoten miteinander verbunden sein, wobei der letzte der Stränge mit dessen erstem Knoten über die entsprechende Verbindungsleitung wieder mit dem zweiten Knoten des ersten Strangs verbunden ist, wodurch der Ring geschlossen wird. In dem oben beschriebenen Verfahrensablauf läuft dann mit Vorteil die Aktivierung der Heizwiderstände reihum. Bei vier oder mehr Strängen können sogar immer jeweils zwei Stränge gleichzeitig umlaufend aktiviert werden, bei sechs oder mehr Strängen jeweils drei Stränge gleichzeitig. Die Aktivierungen laufen im Gleichtakt um. In embodiments with at least three strands, the first node of the second strand can also be connected to the second node of a third strand that is different from the first strand. If a fourth strand is present, a first node of the third strand can be connected to a second node of the fourth strand. In this way, all strands can be connected to one another in sequence via connecting lines between the respective first and second nodes involved, with the last of the strands with its first node being connected again to the second node of the first strand via the corresponding connecting line, thereby closing the ring. In the process sequence described above, the heating resistors are then advantageously activated in sequence. With four or more strands, two strands can even be activated at the same time, and with six or more strands, three strands can be activated at the same time. The activations rotate in unison.

Bei niedrigen Eingangsspannungen und hohen Leistungen ist es sogar durchaus auch möglich, dass sechs Stränge gleichzeitig betrieben werden können. Hierbei kann auch eine Leistungsregelung mit klassischer PWM erfolgen, wobei möglichst immer nur einer der Stränge gleichzeitig ausgeschaltet ist. With low input voltages and high power, it is even possible to operate six strings simultaneously. Power control can also be carried out using classic PWM, with only one of the strings being switched off at a time if possible.

Die elektrische Heizung gemäß den obigen Aspekten, Ausführungsformen und Ausführungsbeispielen sowie das entsprechende Verfahren bringen weiterer Vorteile mit sich und eröffnen interessante Ausgestaltungen: so können beispielsweise die hochseitigen Schalteinrichtungen in den Strängen als Thyristoren, vorzugsweise als SCR (silicon controlled rectifier, dt. gesteuerter Silicium-Gleichrichter) eingerichtet sein, während die niederseitigen Schalteinrichtungen als Transistoren (MOSFETS, IGBTs etc. wie oben beschrieben) eingerichtet sind. Dies ist möglich, weil die hochseitigen Schalteinrichtungen leistungsfrei abgeschaltet werden können (siehe Verfahrensablauf oben und in den nachfolgende beschriebenen Ausführungsbeispielen). Deshalb kann, falls eine Sicherheitsabschaltung im Fehlerfall nicht benötigt oder anderweitig realisiert ist, die Schaltfunktionalität der hochseitigen Schalteinrichtung auch mit kostengünstigeren Thyristoren bzw. SCR-Bausteinen realisiert werden. The electric heater according to the above aspects, embodiments and embodiments as well as the corresponding method bring further advantages and open up interesting designs: for example, the high-side switching devices in the strings can be set up as thyristors, preferably as SCRs (silicon controlled rectifiers), while the low-side switching devices are set up as transistors (MOSFETS, IGBTs, etc. as described above). This is possible because the high-side switching devices can be switched off without power (see process sequence above and in the embodiments described below). Therefore, if a safety shutdown in the event of a fault is not required or is implemented in another way, the switching functionality of the high-side switching device can also be implemented with more cost-effective thyristors or SCR components.

Diese oder weitere Ausführungsbeispiele können ferner vorsehen, dass solche für das Schalten der hochseitigen Schalteinrichtungen konfigurierten Treiber mit Leistung aus einer einfachen Bootstrap-Schaltung versorgt werden. Diese kann dann beispielweise lediglich aus einem Kondensator und einer Diode bestehen. Der Grund liegt darin, dass bei dem beschriebenen Verfahrensablauf an der im gleichen Strang vorgesehenen niederseitigen Schalteinrichtung sowohl eine Spannung von 0 V als auch die volle Eingangsspannung anliegen, wenn auch nur in einer kurzen Zeitspanne (in den obigen Ausführungen z.B. die vierte Zeitspanne in Bezug auf die niederseitige Schalteinrichtung des ersten Strangs). Wird diese (z.B. vierte) Zeitspanne hinreichend groß gewählt, so reicht dies für die Leistungsversorgung des betreffenden Treibers der hochseitigen Schalteinrichtung durch eine einfache Bootstrap-Schaltung aus, was einen komplexen Aufbau für den Level-Shift und damit Kosten spart. These or other embodiments can also provide that such drivers configured for switching the high-side switching devices are supplied with power from a simple bootstrap circuit. This can then consist, for example, of just a capacitor and a diode. The reason is that in the described process sequence, both a voltage of 0 V and the full input voltage are present at the low-side switching device provided in the same strand, albeit only for a short period of time (in the above explanations, for example, the fourth period of time in relation to the low-side switching device of the first strand). If this (e.g. fourth) period of time is chosen to be sufficiently long, this is sufficient for the power supply of the relevant driver of the high-side switching device via a simple bootstrap circuit, which saves a complex structure for the level shift and thus costs.

Weiterbildungen zufolge kann die elektrische Heizung eine Steuervorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, die Schalteinrichtungen zeitlich getrennt voneinander und jeweils einzeln zu öffnen und zu schließen. Diese Steuervorrichtung kann vorzugsweise konfiguriert sein, durch Betätigen der Schalteinrichtungen die Heizleistung durch Pulsweitenmodulation einzustellen, wie bereits oben erwähnt wurde. Wie beschrieben können innerhalb einer Periode der Pulsweitenmodulation die Schalteinrichtungen ausschließlich sequentiell mit einem zwischenliegenden Zeitabstand betätigt werden. Insgesamt bieten Aspekte der Erfindung Vorteile dahingehend, dass z.B. die Verteilung der Leistung auf die Heizwiderstände gleichmäßig erfolgen kann. Im Stand der Technik, bspw. der DE 10 2011 009 672 A1 , erfolgt diese Lastverteilung je nach Betriebsmodus und Schaltung teilweise asymmetrisch. Ferner erfolgen die Zustandsübergange direkt, ohne dass eine Zwischenabschaltung erfolgen müsste. Des Weiteren kann eine Reduktion des Rippelstromes um Faktoren 2 bis 6 oder höher bei entsprechend mehr Heizwiderständen erzielt werden. Dies geht z.B. mit einer halben Spannungsbelastung für die Schalteinrichtungen einher, welches die Dauerhaftigkeit der elektrischen Heizung erhöht. Ferner ist eine deutliche Reduktion der Schaltverluste festzustellen, da im Betrieb die hochseitigen Schalteinrichtungen verlustfrei ausgeschaltet werden und die niederseitigen Schalteinrichtungen verlustfrei eingeschaltet werden. Zudem wird bei den verlustbehafteten Schaltvorgängen nur die halbe oder ein Drittel der Spannung geschaltet, was auch hier die Verluste deutlich reduziert. According to further developments, the electric heater can have a control device that is configured to open and close the switching devices separately from one another and individually. This control device can preferably be configured to adjust the heating power by actuating the switching devices using pulse width modulation, as already mentioned above. As described, within a period of pulse width modulation, the switching devices can only be actuated sequentially with an intermediate time interval. Overall, aspects of the invention offer advantages in that, for example, the power can be distributed evenly across the heating resistors. In the prior art, e.g. DE 10 2011 009 672 A1, this load distribution is partially asymmetrical depending on the operating mode and circuit. Furthermore, the state transitions occur directly, without the need for an intermediate shutdown. Furthermore, a reduction in the ripple current by a factor of 2 to 6 or more can be achieved with a correspondingly larger number of heating resistors. This is accompanied, for example, by half the voltage load for the switching devices, which increases the durability of the electric heater. Furthermore, a significant reduction in switching losses can be observed, since during operation the high-side switching devices are switched off without loss and the low-side switching devices are switched on without loss. In addition, only half or a third of the voltage is switched during the lossy switching processes, which also significantly reduces the losses here.

Zudem sind die Anforderungen an zeitgenaues Schalten der Schalteinrichtungen unkritisch, so dass auch hier der Aufwand reduziert sein kann. Außerdem stellen die Einzelsignale für die Ansteuerung der Schalteinrichtungen jeweils normale PWM- Signale dar, so dass trotz des komplex anmutenden Verfahrensablaufs ein einfacher PWM-modulierter Heizleistungsverlauf resultiert. In addition, the requirements for precise switching of the switching devices are not critical, so that the effort can be reduced here too. In addition, the individual signals for controlling the switching devices each represent normal PWM signals, so that despite the seemingly complex process sequence, a simple PWM-modulated heating power curve results.

Ferner können wie beschrieben Vereinfachungen bei den verwendeten Bauelementen realisiert werden, wie etwa die Versorgung der hochseitigen Schalteransteuerung (Treiber) mit einfachen Bootstrap-Schaltungen, oder die Verwendung von Thyristoren an dieser Stelle. Ferner werden auch negative Effekte durch mögliche parasitäre Induktivitäten der Widerstände deutlich reduziert, da die Stromänderungen jeweils geringer ausfallen und entsprechend kleinere Ausschaltspitzen an den Schaltern auftreten. Furthermore, as described, simplifications can be made in the components used, such as supplying the high-side switch control (driver) with simple bootstrap circuits, or using thyristors at this point. Furthermore, negative effects due to possible parasitic inductances of the resistors are significantly reduced, since the current changes are smaller and correspondingly smaller switch-off peaks occur at the switches.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der diversen Aspekte ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Further advantages, features and details of the various aspects emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawings. In the figures, the same reference symbols designate the same features and functions. Short description of the drawings

Es zeigen: They show:

Fig.1 eine Schaltskizze einer elektrischen Heizung gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig.1 is a circuit diagram of an electric heater according to an embodiment;

Fig. 2A in schematischer Darstellung ein Zeitdiagramm mit dem zeitlichen Verlauf der sich in den 3 Heizwiderständen aus Fig. 1 im Betrieb ergebenden Stromflüssen während einer PWM-Periode; Fig. 2A shows a schematic representation of a time diagram with the temporal course of the current flows resulting in the three heating resistors from Fig. 1 during operation during a PWM period;

Fig. 2B wie Fig. 2A, aber mit Wiedergabe nur des Gesamtstromflusses; Fig. 2B as Fig. 2A, but showing only the total current flow;

Fig. 3A wie Fig. 2A, aber nur für den Stromfluss durch einen der Heizwiederstände; Fig. 3A like Fig. 2A, but only for the current flow through one of the heating resistors;

Fig. 3B in schematischer Darstellung ein Zeitdiagramm mit dem zeitlichen Verlauf der an der niederseitigen Schalteinrichtung des ersten Strangs abfallenden Spannung während einer PWM-Periode; Fig. 3B shows a schematic representation of a timing diagram with the temporal course of the voltage drop at the low-side switching device of the first phase during a PWM period;

Fig. 4A die Schaltskizze aus Fig. 1 für einen konkreten Schaltzustand, bei welchem ein Drittel der maximalen Heizleitung eines Strangs erzielt wird; Fig. 4A shows the circuit diagram from Fig. 1 for a concrete switching state in which one third of the maximum heating power of a strand is achieved;

Fig. 4B die Schaltskizze aus Fig. 1 für einen konkreten Schaltzustand, bei welchem eine Hälfte der maximalen Heizleitung eines Strangs erzielt wird; Fig. 4B shows the circuit diagram from Fig. 1 for a concrete switching state in which half of the maximum heating power of a strand is achieved;

Fig. 4C die Schaltskizze aus Fig. 1 für einen konkreten Schaltzustand, bei welchem ein Anderthalbfaches der maximalen Heizleitung eines Strangs erzielt wird. Fig. 4C shows the circuit diagram from Fig. 1 for a concrete switching state in which one and a half times the maximum heating power of a strand is achieved.

Bevorzugte Ausführungsform(en) der Erfindung In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Offenbarung der verschiedenen Aspekte nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren dargestellt sind. Alle Ausführungsbeispiele, auch die nicht in den Figuren gezeigten, können auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es ist des Weiteren zu berücksichtigen, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie lediglich zum Zweck der konkreten Beschreibung verwendet wird und diese sollten nicht durch den Fachmann als solche in einschränkender Weise ausgelegt werden. Ferner bezeichnen in nachfolgender Beschreibung gleiche Bezugszeichen in den Figuren gleiche oder ähnliche Merkmale oder Gegenstände, so dass in einigen Fällen auf eine wiederholte detaillierte Beschreibung derselben verzichtet wird, um die Kompaktheit und Übersichtlichkeit der Darstellung zu bewahren. Preferred embodiment(s) of the invention In the following description of preferred embodiments, it should be noted that the present disclosure of the various aspects is not limited to the details of the construction and arrangement of the components as shown in the following description and in the figures. All embodiments, even those not shown in the figures, can be implemented or carried out in various ways. It should also be noted that the expression and terminology used herein is used only for the purpose of concrete description and should not be interpreted as such in a limiting manner by those skilled in the art. Furthermore, in the following description, like reference numerals in the figures designate like or similar features or objects, so that in some cases a repeated detailed description of them is omitted in order to maintain the compactness and clarity of the illustration.

Ausführungsbeispiele betreffen eine elektrische Heizung 100, die elektrische Energie in Wärme umsetzt, um ein Medium oder ein Volumen direkt oder indirekt zu heizen. Ein derartiges Medium kann ein Fluid sein, etwa ein Gas wie Luft oder eine Flüssigkeit wie Wasser. Die elektrische Heizung ist insbesondere für einen mobilen Einsatz vorgesehen, beispielsweise für ein Fahrzeug, vorzugsweise einem hybrid oder rein elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug. Embodiments relate to an electric heater 100 that converts electrical energy into heat in order to heat a medium or a volume directly or indirectly. Such a medium can be a fluid, for example a gas such as air or a liquid such as water. The electric heater is intended in particular for mobile use, for example for a vehicle, preferably a hybrid or purely electrically operated motor vehicle.

In der Fig. 1 ist eine Schaltskizze einer elektrischen Heizung 100 für ein Kraftfahrzeug, gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Über eine mit einem ersten Anschluss 1 verbundene Leitung wird, z.B. direkt oder mittelbar von einer (nicht gezeigten) Fahrzeugbatterie, ein (Betriebs-)Spannungspotential HV+ bereitgestellt. Ein Referenzoder Bezugspotential HV-, z.B. ein Ground- oder Massepotential, wird über eine mit einem zweiten Anschluss 2 verbundene Leitung bereitgestellt. Hierin werden die beiden Leitungen entsprechend als Teil der beiden Anschlüsse 1 , 2 betrachtet. Die durch den Potentialunterschied zwischen dem Spannungspotential HV+ und dem Bezugspotential HV- festgelegte Spannung beträgt in modernen elektrisch betrieben Kraftfahrzeugen 50 Volt oder mehr (Hochvoltbereich). Zwischen den beiden Anschlüsse 1 , 2 sind in zueinander paralleler Anordnung drei Stränge 10, 20, 30 zwischengeschaltet. In alternativen Ausführungsbeispielen können auch 2 oder 4 oder mehr der in Fig. 1 gezeigten Stränge vorgesehen sein. Fig. 1 shows a circuit diagram of an electric heater 100 for a motor vehicle, according to an embodiment. An (operating) voltage potential HV+ is provided via a line connected to a first connection 1, e.g. directly or indirectly from a vehicle battery (not shown). A reference or reference potential HV-, e.g. a ground or mass potential, is provided via a line connected to a second connection 2. Here, the two lines are considered to be part of the two connections 1, 2. The voltage determined by the potential difference between the voltage potential HV+ and the reference potential HV- is 50 volts or more (high-voltage range) in modern electrically powered motor vehicles. Three strands 10, 20, 30 are interposed in a parallel arrangement between the two connections 1, 2. In alternative embodiments, 2 or 4 or more of the strands shown in Fig. 1 can also be provided.

Alle drei Stränge 10, 20, 30 sind identisch ausgebildet. Jeder Strang 10, 20, 30 weist je einen Heizwiderstand R1 , R2, R3 auf, der optionalen Ausführungsbeispielen zufolge in verschiedene Teilwiderstände (nicht gezeigt) unterteilt sein kann. Die Heizwiderstände R1 , R2, R3 sind jeweils zwischen innerhalb jedes Strangs eingerichteten Schalteinrichtungen S1 - S6 angeordnet. So sind eine hochseitige Schalteinrichtung S1 , ein Heizwiderstand R1 und eine niederseitige Schalteinrichtung S4 im ersten Strang 10 in Serie geschaltet. Ähnlich sind eine hochseitige Schalteinrichtung S2, ein Heizwiderstand R2 und eine niederseitige Schalteinrichtung S5 im zweiten Strang 20 in Serie geschaltet, und eine hochseitige Schalteinrichtung S3, ein Heizwiderstand R3 und eine niederseitige Schalteinrichtung S6 im dritten Strang 30 in Serie geschaltet. All three strands 10, 20, 30 are identical. Each strand 10, 20, 30 has a heating resistor R1, R2, R3, which according to optional embodiments can be divided into various partial resistors (not shown). The heating resistors R1, R2, R3 are each arranged between switching devices S1 - S6 set up within each strand. For example, a high-side switching device S1, a heating resistor R1 and a low-side switching device S4 are connected in series in the first strand 10. Similarly, a high-side switching device S2, a heating resistor R2 and a low-side switching device S5 are connected in series in the second strand 20, and a high-side switching device S3, a heating resistor R3 and a low-side switching device S6 are connected in series in the third strand 30.

Die Heizwiderstände können mit einem im Vergleich zu Leitungswiderständen hohen Widerstandswert ausgestattet, um bei Stromfluss elektrische Energie in Wärme zu wandeln und diese an ein Fluid abzugeben. Ein solcher Heizwiderstand kann beispielsweise in Form eines zu einer Spule gewickelten Leitungsdrahtes oder Heizdrahtes ausgebildet sein. Als Materialien kommen Kalt- oder auch Heißleiter in Betracht, Keramik wie auch Metalle und alle hier aufgeführten Ausführungsbeispiele nicht auf bestimmte Materialien und Funktionen beschränkt. The heating resistors can be equipped with a high resistance value compared to line resistors in order to convert electrical energy into heat when current flows and to release this heat into a fluid. Such a heating resistor can, for example, be designed in the form of a line wire or heating wire wound into a coil. Possible materials include cold or hot conductors, ceramics and metals, and all of the embodiments listed here are not limited to specific materials and functions.

Bei den im Ausführungsbeispiel zueinander baugleichen Schalteinrichtungen S4 - S6 kann es sich um Leistungsschalter, z.B. Leistungs-MOSFETs oder IGBTs etc. handeln. Bei den zueinander baugleichen Schalteinrichtungen S1 - S3 kann es sich ebenfalls um Leistungsschalter vom genannten Typ handeln, oder um Thyristoren. Die (nicht gezeigten) Treiber der hochseitigen Schalteinrichtungen können eine Bootstrap- Schaltung mit einfachem Aufbau, z.B. in bekannter Weise aus lediglich einem Kondensator und einer Diode, aufweisen. Die Schalteinrichtungen S1 - S6 werden mittels Treibern durch eine Steuervorrichtung 200 angesteuert bzw. geöffnet oder geschlossen. Hierzu umfasst die Steuervorrichtung 200 eine (nicht gezeigte) Pulsweitenmodulationseinrichtung, die für jede Schalteinrichtung individuell einen Öffnungs- und Schließzeitpunkt festlegt. Keine der in Figur 1 gezeigten Schalteinrichtungen S1 bis S6 öffnet oder schließt zu einem gleichen Zeitpunkt wie bei einer anderen der Schalteinrichtungen S1 bis S6, d.h., die Öffnungsund Schließzeitpunkte sind zwar aufeinander abgestimmt, insbesondere ist der Zyklus bzw. die Periodendauer für jede der Schalteinrichtungen S1 - S6 identisch, jedoch sind die einzelnen Pulse nicht zeitgleich geschaltet sondern vielmehr zeitlich voneinander entkoppelt, wobei sie aber einander zeitlich überlappen können. Der zeitliche Abstand zwischen einem Schließzeitpunkt und einem Öffnungszeitpunkt legt die Pulsdauer fest. Die Pulsdauer wird abhängig von der gewünschten Heizleistung bestimmt. Eine Berechnung der Pulsdauer aus einer vorgegebenen Heizleistung erfolgt in der Steuervorrichtung 200. Die Pulsdauer ist zu diesem Zweck für jede der Schalteinrichtungen S1 - S6 von der Steuervorrichtung 200 variabel einstellbar. The switching devices S4 - S6, which are identical in the embodiment, can be power switches, e.g. power MOSFETs or IGBTs etc. The switching devices S1 - S3, which are identical in design, can also be power switches of the type mentioned, or thyristors. The drivers (not shown) of the high-side switching devices can have a bootstrap circuit with a simple structure, e.g. in a known manner from just one capacitor and one diode. The switching devices S1 - S6 are controlled or opened or closed by means of drivers by a control device 200. For this purpose, the control device 200 comprises a pulse width modulation device (not shown) which individually sets an opening and closing time for each switching device. None of the switching devices S1 to S6 shown in Figure 1 opens or closes at the same time as another of the switching devices S1 to S6, i.e. the opening and closing times are coordinated with one another, in particular the cycle or period length is identical for each of the switching devices S1 - S6, but the individual pulses are not switched at the same time but rather decoupled from one another in time, although they can overlap one another in time. The time interval between a closing time and an opening time determines the pulse duration. The pulse duration is determined depending on the desired heating output. The pulse duration is calculated from a predetermined heating power in the control device 200. For this purpose, the pulse duration can be variably set by the control device 200 for each of the switching devices S1 - S6.

Jeder der Stränge 10, 20, 30 umfasst zwei Knoten, die auf einer Stranglänge zwischen den jeweiligen Schalteinrichtungen eingerichtet sind. Jeder Knoten stellt einen Abgriffspunkt für eine Verbindungsleitung zu jeweils einem anderen der Stränge in der elektrischen Heizung 100 dar. Each of the strands 10, 20, 30 comprises two nodes which are arranged on a strand length between the respective switching devices. Each node represents a tapping point for a connecting line to a different one of the strands in the electric heater 100.

Im ersten Strang 10 ist ein erster Knoten N4 zwischen der niederseitigen Schalteinrichtung S4 und dem Heizwiderstand R1 eingerichtet. Ferner ist ein zweiter Knoten N1 zwischen der hochseitigen Schalteinrichtung S1 und dem Heizwiderstand R1 eingerichtet. In gleicher Weise ist im zweiten Strang 20 ein erster Knoten N5 zwischen der niederseitigen Schalteinrichtung S5 und dem Heizwiderstand R2 eingerichtet. Ferner ist ein zweiter Knoten N2 zwischen der hochseitigen Schalteinrichtung S2 und dem Heizwiderstand R2 eingerichtet. Schließlich ist auch im dritten Strang 30 ein erster Knoten N6 zwischen der niederseitigen Schalteinrichtung S6 und dem Heizwiderstand R3 eingerichtet. Ferner ist ein zweiter Knoten N3 zwischen der hochseitigen Schalteinrichtung S3 und dem Heizwiderstand R3 eingerichtet. In jedem der Stränge 10, 20, 30 ist der erste Knoten N4, N5, N6 über eine Verbindungsleitung mit dem zweiten Knoten N1 , N2, N3 eines benachbarten Strangs verbunden. In jeder der Verbindungsleitungen ist eine Diode D1 , D2, D3 vorgesehen, deren Anodenanschluss mit dem entsprechend ersten Knoten N4, N5, N6 und deren Kathodenanschluss mit dem über die Verbindungsleitung zugeordneten zweiten Knoten N1 , N2, N3 verbunden ist. In the first strand 10, a first node N4 is set up between the low-side switching device S4 and the heating resistor R1. Furthermore, a second node N1 is set up between the high-side switching device S1 and the heating resistor R1. In the same way, in the second strand 20, a first node N5 is set up between the low-side switching device S5 and the heating resistor R2. Furthermore, a second node N2 is set up between the high-side switching device S2 and the heating resistor R2. Finally, in the third strand 30, a first node N6 is also set up between the low-side switching device S6 and the heating resistor R3. Furthermore, a second node N3 is set up between the high-side switching device S3 and the heating resistor R3. In each of the strands 10, 20, 30, the first node N4, N5, N6 is connected via a connecting line to the second node N1, N2, N3 of an adjacent strand. In each of the connecting lines, a diode D1, D2, D3 is provided, the anode connection of which is connected to the corresponding first node N4, N5, N6 and the cathode connection of which is connected to the second node N1, N2, N3 assigned via the connecting line.

Ein Verfahren zum Ansteuern der Schalteinrichtungen S1 bis S6 bzw. zum Betreiben der elektrischen Heizung 100 mit Hilfe der Steuereinrichtung 200 wird anhand der Figuren 2A bis 3B erläutert. A method for controlling the switching devices S1 to S6 or for operating the electric heater 100 with the aid of the control device 200 is explained with reference to Figures 2A to 3B.

Es wird zunächst willkürlich ein Anfangszustand gesetzt, in welchem lediglich der erste Strang 10 aktiviert ist, d. h. dass die Schalteinrichtungen S1 und S4 eingeschaltet sind, während die Schalteinrichtungen S2, S3, S5 und S6 ausgeschaltet sind und somit die Stränge 20, 30 deaktiviert sind. Die Figur 2A zeigt in schematischer Darstellung ein Zeitdiagramm mit dem zeitlichen Verlauf der sich in den 3 Heizwiderständen aus Fig. 1 im Betrieb ergebenden Stromflüsse während einer PWM-Periode für den Schaltzyklus der Schalteinrichtungen S1 - S6, wobei diese PWM-Periode zum Beispiel im Zeitpunkt to beginnt und im Zeitpunkt t12 endet, in welchem der gleiche Zustand wie Zeitpunkt tO erreicht ist. Jede der Schalteinrichtungen S1 - S6 wird individuell gemäß einer übereinstimmenden Periode wie in Fig. 2A gezeigt pulsweitenmoduliert betrieben, wobei die Schaltzeitpunkte variabel einstellbar sind und die resultierenden Fensterbreiten die Heizleistung festlegen. Die Fig. 2B zeigt den sich insgesamt in der Schaltungsanordnung ergebenden Stromfluss. Die auf der Koordinatenachse gewählte Einheit für den Stromfluss ist so gewählt, dass der maximal durch einen einzelnen Strang fließende Strom den Wert "1" erhält. Hierbei ist idealisierend angenommen, dass die bereitgestellte Spannung im Wesentlichen zeitlich konstant ist. First, an initial state is arbitrarily set in which only the first branch 10 is activated, i.e. the switching devices S1 and S4 are switched on, while the switching devices S2, S3, S5 and S6 are switched off and thus the branches 20, 30 are deactivated. Figure 2A shows a schematic representation of a time diagram with the temporal progression of the current flows resulting in the 3 heating resistors from Fig. 1 during operation during a PWM period for the switching cycle of the switching devices S1 - S6, whereby this PWM period begins, for example, at time t0 and ends at time t12, at which the same state as time t0 is reached. Each of the switching devices S1 - S6 is operated individually in a pulse width modulated manner according to a corresponding period as shown in Fig. 2A, whereby the switching times can be variably set and the resulting window widths determine the heating power. Fig. 2B shows the overall current flow resulting in the circuit arrangement. The unit for the current flow selected on the coordinate axis is chosen so that the maximum current flowing through a single strand has the value "1". It is ideally assumed that the voltage provided is essentially constant over time.

Mit der "Aktivierung" eines Strangs ist hier der so beschriebene Zustand des ersten Strangs 10 bezeichnet. In diesem Zustand fließt genau gerade der maximale Strom durch den ersten Strang 10, wobei lediglich der Heizwiderstand R1 des ersten Strangs 10 belastet ist. Im Schaltzeitpunkt t1 wird die niederseitige Schalteinrichtung S5 des zweiten Strangs 20 durch die Steuervorrichtung 200 eingeschaltet, wie durch den nach oben gerichteten Pfeil hinter der Schalterbezeichnung in Fig. 2A.- 3B zu sehen ist - ein Ausschalten wird in den Figuren durch den nach unten gerichteten Pfeil hinter der Schalterbezeichnung gekennzeichnet. Der Strompfad ändert sich nicht aufgrund des vom ersten Knoten N4 des ersten Strangs 10 aus gesehen zusätzlichen Heizwiderstands R2, wenn ein Strompfad über die Verbindungsleitung zum zweiten Knoten N2 des zweiten Strangs 20 betrachtet wird. The "activation" of a strand here refers to the state of the first strand 10 described above. In this state, the maximum current flows through the first strand 10, with only the heating resistor R1 of the first strand 10 being loaded. At switching time t1, the low-side switching device S5 of the second string 20 is switched on by the control device 200, as can be seen by the upward arrow behind the switch designation in Fig. 2A.- 3B - switching off is indicated in the figures by the downward arrow behind the switch designation. The current path does not change due to the additional heating resistor R2 seen from the first node N4 of the first string 10 when a current path via the connecting line to the second node N2 of the second string 20 is considered.

Im Schaltzeitpunkt t2 wird nun aber die niederseitige Schalteinrichtung S4 des ersten Strangs 10 ausgeschaltet. In diesem Fall ändert sich der Strompfad und schließt die hochseitige Schalteinrichtungen S1 , den Heizwiderstand R1 und den ersten Knoten N4 des ersten Strangs 10, die Diode D2 der Verbindungsleitung sowie den zweiten Knoten N2, den Heizwiderstand R2 und die niederseitige Schalteinrichtung S5 ein. Dieser Zustand ist in Fig. 4B gezeigt. Die Heizwiderstände R1 und R2 sind seriell geschaltet. Die entsprechenden Stromflüsse IRI und IR2 liegen nun bei einem Faktor 0,5, wie in Fig. 2a zu sehen ist, wie auch der Gesamtstromfluss ISUM, wie in Fig. 2B zu sehen ist, welcher die Heizleistung widerspiegelt. At switching time t2, however, the low-side switching device S4 of the first branch 10 is now switched off. In this case, the current path changes and includes the high-side switching devices S1, the heating resistor R1 and the first node N4 of the first branch 10, the diode D2 of the connecting line as well as the second node N2, the heating resistor R2 and the low-side switching device S5. This state is shown in Fig. 4B. The heating resistors R1 and R2 are connected in series. The corresponding current flows IRI and IR2 are now at a factor of 0.5, as can be seen in Fig. 2a, as is the total current flow ISUM, as can be seen in Fig. 2B, which reflects the heating power.

Während Figur 3A noch einmal den Stromfluss durch den Heizwiderstand R2 des zweiten Strangs 20 verdeutlicht, ist in Figur 3B speziell für die niederseitige Schalteinrichtung S4 des ersten Strangs 10 die an ihr während der Illustrierten PWM- Periode für das Schalten der Schalteinrichtungen S1 - S6 abfallende Spannung gezeigt. Im Schaltzeitpunkt t2 (die Schalteinrichtung S4 öffnet) findet in der Tat ein Sprung in der Spannung an dieser Schalteinrichtung S4 statt, jedoch nur um den halben Wert der gesamten Eingangsspannung, gleiches gilt für den ab diesem Zeitpunkt nicht fließenden Strom, der von 0,5 auf 0 fällt (und nicht von 1 auf 0). Der Schaltvorgang ist dadurch zwar nicht lastfrei, die Belastung des Schalters S4 ist aber reduziert. While Figure 3A once again illustrates the current flow through the heating resistor R2 of the second phase 20, Figure 3B specifically shows the voltage drop across the low-side switching device S4 of the first phase 10 during the illustrated PWM period for switching the switching devices S1 - S6. At switching time t2 (the switching device S4 opens), there is indeed a jump in the voltage at this switching device S4, but only by half the value of the total input voltage; the same applies to the current that does not flow from this point onwards, which falls from 0.5 to 0 (and not from 1 to 0). Although the switching process is not load-free, the load on the switch S4 is reduced.

Im nächsten Schaltzeitpunkt t3 wird in dem zweiten Strang 20 die hochseitigeAt the next switching time t3, the high-side

Schalteinrichtung S2 eingeschaltet. Dadurch ist nun der zweite Strang 20 aktiviert. Ein Stromfluss findet nun nur noch durch den Heizwiderstand R2 des zweiten Strangs 20 statt. Entsprechend steigt der Stromfluss IR2 durch den nur noch einzeln (und nicht mehr seriell) belasteten Heizwiderstand auf den Wert "1" (beim Heizwiderstand R1 fällt dieser Wert auf "0", da an den Knoten N1 und N2 das gleiche Spannungspotential vorliegt). Switching device S2 is switched on. This activates the second line 20. A Current now only flows through the heating resistor R2 of the second strand 20. Accordingly, the current flow IR2 through the heating resistor, which is now only loaded individually (and no longer in series), increases to the value "1" (for the heating resistor R1, this value drops to "0" because the same voltage potential is present at the nodes N1 and N2).

Im nächsten Schaltzeitpunkt t4 wird in dem ersten Strang 10 die hochseitige Schalteinrichtung S1 ausgeschaltet. Die Aktivierung ist nun vollständig vom ersten Strang 10 auf den zweiten Strang 20 übertragen. Das ab diesem Schaltzeitpunkt t4 an der Schalteinrichtung S4 abfallende Spannungspotential lässt nicht mehr genau festlegen, da der Kollektor bzw. die Drain-Seite der Schalteinrichtung S4 nicht mehr mit der Spannungsversorgung verbunden ist, und sozusagen „floatet“. Dieser Zustand hält bis zum Schaltzeitpunkt t9, in welchem die Schalteinrichtung S4 schließt. Bis dahin kann im Hinblick auf den hochfrequente Schaltbetrieb der tatsächliche Spannungsabfall durch parasitäre Kapazitäten und Widerstände bestimmt sein. In Fig. 3B ist dies durch eine punktierte Linie schematisch deutlich gemacht. At the next switching time t4, the high-side switching device S1 in the first string 10 is switched off. The activation is now completely transferred from the first string 10 to the second string 20. The voltage potential dropping at the switching device S4 from this switching time t4 onwards can no longer be precisely determined, since the collector or drain side of the switching device S4 is no longer connected to the voltage supply and "floats", so to speak. This state lasts until the switching time t9, at which the switching device S4 closes. Until then, with regard to the high-frequency switching operation, the actual voltage drop can be determined by parasitic capacitances and resistances. This is shown schematically in Fig. 3B by a dotted line.

In den nächsten 4 Schaltzeitpunkten t5 - 18 werden die gleichen Schritte in analoger Reihenfolge für den Übergang der Aktivierung von dem zweiten Strang 20 auf den dritten Strang 30 wiederholt. In the next 4 switching times t5 - 18, the same steps are repeated in an analogous order for the transition of activation from the second strand 20 to the third strand 30.

Ferner werden in den wiederum nachfolgenden 4 Schaltzeitpunkten t9 - 112 die gleichen Schritte in analoger Reihenfolge für den Übergang der Aktivierung von dem dritten Strang 30 wieder zurück auf den ersten Strang 10 wiederholt, wodurch der Anfangszustand erreicht wird. Die niederseitige Schalteinrichtung S4 des ersten Strangs 10 wird dabei wieder im Schaltzeitpunkt t9 eingeschaltet, die hochseitige Schalteinrichtung S1 im Schaltzeitpunkt t11. Zu beachten ist hierbei, dass beim Einschalten der niederseitigen Schalteinrichtung S4 zwar die Spannung von 0,5 auf 0 fällt, dagegen aber in diesem Zustand immer noch kein Strom durch die niederseitige Schalteinrichtung S4 fließt, wie in Fig. 2A erkennbar ist. Damit ist dieses Einschalten sogar völlig lasfrei. Es ist anzumerken, dass der hier gewählte Anfangszustand willkürlich gewählt ist und stattdessen auch ein beliebig anderer gemäß den in den Fig. 2A - 3B gezeigten Zeitintervallen sein kann. Ferner ist anzumerken, dass die Zeitintervalle bzw. Furthermore, in the subsequent 4 switching times t9 - 112, the same steps are repeated in an analogous order for the transition of the activation from the third strand 30 back to the first strand 10, whereby the initial state is reached. The low-side switching device S4 of the first strand 10 is switched on again at switching time t9, the high-side switching device S1 at switching time t11. It should be noted here that when the low-side switching device S4 is switched on, the voltage drops from 0.5 to 0, but in this state no current still flows through the low-side switching device S4, as can be seen in Fig. 2A. This switching on is therefore completely load-free. It should be noted that the initial state chosen here is arbitrary and can instead be any other according to the time intervals shown in Figs. 2A - 3B. It should also be noted that the time intervals or

Zeitspannen (t1 -tO, t2-t1 , t3-t2, t4-t3, t5-t4 etc.) deutlich größer sind als unvermeidbare, innerhalb von Fehlertoleranzen auftretende Verzögerungen bei Schaltereignissen, die durch die Steuervorrichtung gesteuert werden. Die Zeitspannen übersteigen jedenfalls deutlich eine Zeitdauer, innerhalb welcher sich ein Stromfluss nach Einschalten eines Schalters stabilisiert. Time periods (t1 -tO, t2-t1, t3-t2, t4-t3, t5-t4 etc.) are significantly longer than unavoidable delays occurring within error tolerances in switching events controlled by the control device. In any case, the time periods significantly exceed a period within which a current flow stabilizes after a switch is switched on.

Der beschriebene Ablauf verdeutlicht beispielhaft den sequenziellen Übergang der Aktivierung von einem Strang auf den nächsten. Die Figur 2B zeigt den resultierenden, durch die Pulsweitenmodulation der einzelnen Schalteinrichtungen eingestellten Gesamtstromfluss durch die elektrische Heizung 100, welcher der Heizleistung entspricht. Durch eine geeignete Wahl der Zeitpunkte tO bis t12 kann die Breite der Pulse festgelegt werden. Jede Schalteinrichtungen S1 - S6 wird während der PWM- Periode einmal ein- und einmal ausgeschaltet, wobei die Schaltzeitpunkte zeitlich getrennt voneinander festgelegt sind. The described process illustrates the sequential transition of activation from one strand to the next by way of example. Figure 2B shows the resulting total current flow through the electric heater 100, which corresponds to the heating power and is set by the pulse width modulation of the individual switching devices. The width of the pulses can be set by a suitable choice of the times t0 to t12. Each switching device S1 - S6 is switched on and off once during the PWM period, with the switching times being set separately from one another.

Der sich aus allen PWM-Signalen zusammensetzende Stromfluss nimmt im gezeigten Ausführungsbeispiel 2 Pegel an: 1 ,0 und 0,5. Es sind aber auch andere Konstellationen und Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise kann ein Zyklus gewählt werden, bei dem - wie in Fig. 4A gezeigt - nicht nur alternierend zwischen einzeln und zwei in Serie geschalteten Heizwiederständen R1 - R3 geschaltet wird, sondern auch Zustand eingebunden wird, in dem drei in Serie geschaltete Heizwiderstände vorliegen. Hier wird dann der Wert 0,33 (ein Drittel) für den Stromfluss erzielt. Durch Einrichtung weiterer Stränge (z.B. 4, 5 oder 6 Stränge etc.) kann dieser Wert weiter verringert werden. Analog kann - wie in Fig. 4C gezeigt ist - auch der beim oben beschriebenen Übergabeverfahren aktuell nicht betroffene Strang auf aktiv geschaltet werden anstatt auf inaktiv. Hier wird ein Wert von 1 ,5 erzielt. The current flow made up of all the PWM signals takes on two levels in the embodiment shown: 1.0 and 0.5. However, other constellations and embodiments are also possible. For example, a cycle can be selected in which - as shown in Fig. 4A - not only is switching alternately carried out between individual and two series-connected heating resistors R1 - R3, but also a state is included in which three series-connected heating resistors are present. Here, the value 0.33 (one third) is then achieved for the current flow. By setting up additional strands (e.g. 4, 5 or 6 strands, etc.), this value can be reduced further. Analogously - as shown in Fig. 4C - the strand not currently affected by the transfer process described above can also be switched to active instead of inactive. Here, a value of 1.5 is achieved.

Ferner ist am Rande anzumerken, dass die Dioden D1 , D2 und D3 dazu dienen, einen Kurzschluss zu verhindern. In dem sehr speziellen Ablauf des Verfahrens, wie es oben in Zusammenhang mit einen Ausführungsbeispiel mit 3 Strängen beschrieben wurde, tritt allerdings durch die gewählte Schaltabfolge der Fall nicht ein, dass z.B. die Schalteinrichtungen S2 und S4 gleichzeitig eingeschaltet sind. Soweit diese Schaltabfolge sichergestellt ist, könnte daher weiteren Ausführungsbeispielen zufolge denkbar auf die Dioden verzichtet werden. Allerdings ergeben sich in diesem Fall erhebliche Einschränkungen dahingehend, dass z.B. der Zustand, in dem ein Strang durchgeschattet werden soll und zwei andere eine Reihenschaltung erlauben (Faktor 1 .5, siehe oben), nicht implementiert werden darf. Somit stellen die Dioden ein zuverlässiges Sicherungsmittel dar und erlauben die höchste Flexibilität der Schaltungsanordnung. It should also be noted that the diodes D1, D2 and D3 serve to prevent a short circuit. In the very specific sequence of the procedure, as described above in connection with an embodiment with 3 strands, however, the selected switching sequence does not result in the case where, for example, the switching devices S2 and S4 are switched on at the same time. As long as this switching sequence is ensured, the diodes could conceivably be dispensed with according to further embodiments. However, in this case there are considerable restrictions in that, for example, the state in which one strand is to be shaded and two others allow a series connection (factor 1.5, see above) cannot be implemented. The diodes therefore represent a reliable safety device and allow the greatest flexibility of the circuit arrangement.

BEZUGSZEICH EN LISTE : REFERENCE NUMERALS LIST:

1 erster Anschluss 1 first connection

2 zweiter Anschluss 2 second connection

10 erster Strang 10 first strand

20 zweiter Strang 20 second strand

30 dritter Strang 30 third strand

100 elektrische Heizung 100 electric heater

200 Steuervorrichtung 200 control device

D1,D2,D3 Diode D1,D2,D3 diode

HV+,HV- Spannungspotential bzw. BezugspotentialHV+,HV- voltage potential or reference potential

N1,N2,N3 zweiter Knoten N1,N2,N3 second node

N4,N5,N6 erster Knoten N4,N5,N6 first node

R1,R2,R3 Heizwiderstand R1,R2,R3 heating resistor

S1,S2,S3 hochseitige Schalteinrichtung S1,S2,S3 high-side switching device

S4,S5,S6 niederseitige Schalteinrichtung S4,S5,S6 low-side switching device

Claims

Ansprüche: Claims: 1. Elektrische Heizung (100), umfassend: einen ein Spannungspotential (HV+) führenden ersten Anschluss sowie einen ein Bezugspotential (HV-) führenden zweiten Anschluss; eine Anzahl von wenigstens zwei Strängen (10, 20, 30), die parallel zueinander zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet sind; wobei in jedem der Stränge (10, 20, 30) wenigstens ein Heizwiderstand (R1 , R2, R3) eingerichtet ist; wobei in jedem der Stränge (10, 20, 30) zwischen dem Heizwiderstand (R1 , R2, R3) und dem ersten Anschluss (HV+) eine hochseitige Schalteinrichtung (S1 , S2, S3) sowie zwischen dem Heizwiderstand (R1 , R2, R3) und dem zweiten Anschluss (HV-) einer niederseitige Schalteinrichtung (S4, S5, S6) angeordnet sind; wobei in einem ersten der Stränge (10, 20, 30) zwischen der hochseitigen Schalteinrichtung (S1 , S2, S3) und der niederseitigen Schalteinrichtung (S4, S5, S6) ein erster Knoten (N4, N5, N6) eingerichtet ist und in einem zweiten der Stränge (10, 20, 30) zwischen der hochseitigen Schalteinrichtung (S1 , S2, S3) und der niederseitigen Schalteinrichtung (S4, S5, S6) ein mit dem ersten Knoten (N4, N5, N6) elektrisch verbundener zweiter Knoten (N1 , N2, N3) eingerichtet ist, wobei die entsprechenden Heizwiderstände (R1 , R2, R3) durch die Schalteinrichtungen (S1 - S6) des ersten Strangs und des zweiten Strangs wahlweise seriell über die verbundenen Knoten (N1 - N6) oder jeweils einzeln zwischen das Spannungs- und das Bezugspotential geschaltet werden können. 1. Electric heater (100), comprising: a first terminal carrying a voltage potential (HV+) and a second terminal carrying a reference potential (HV-); a number of at least two strands (10, 20, 30) which are connected in parallel to one another between the first terminal and the second terminal; wherein at least one heating resistor (R1, R2, R3) is arranged in each of the strands (10, 20, 30); wherein in each of the strands (10, 20, 30) a high-side switching device (S1, S2, S3) is arranged between the heating resistor (R1, R2, R3) and the first terminal (HV+) and a low-side switching device (S4, S5, S6) is arranged between the heating resistor (R1, R2, R3) and the second terminal (HV-); wherein in a first of the strands (10, 20, 30) a first node (N4, N5, N6) is set up between the high-side switching device (S1, S2, S3) and the low-side switching device (S4, S5, S6), and in a second of the strands (10, 20, 30) a second node (N1, N2, N3) electrically connected to the first node (N4, N5, N6) is set up between the high-side switching device (S1, S2, S3) and the low-side switching device (S4, S5, S6), wherein the corresponding heating resistors (R1, R2, R3) can be switched by the switching devices (S1 - S6) of the first strand and the second strand either in series via the connected nodes (N1 - N6) or individually between the voltage and the reference potential. 2. Elektrische Heizung (100) gemäß Anspruch 1 , wobei der erste Knoten (N4, N5, N6) zwischen den betreffenden Heizwiderstand (R1 , R2, R3) und die betreffende niederseitige Schalteinrichtung (S4, S5, S6) des ersten Strangs (10, 20, 30) geschaltet ist, und der zweite Knoten (N1 , N2, N3) zwischen die betreffende hochseitige Schalteinrichtung (S1 , S2, S3) und den betreffenden Heizwiderstand (R1 , R2, R3) des zweiten Strangs (10, 20, 30) geschaltet ist. 2. Electric heater (100) according to claim 1, wherein the first node (N4, N5, N6) is connected between the respective heating resistor (R1, R2, R3) and the respective low-side switching device (S4, S5, S6) of the first strand (10, 20, 30), and the second node (N1, N2, N3) is connected between the respective high-side switching device (S1, S2, S3) and the respective heating resistor (R1, R2, R3) of the second strand (10, 20, 30). 3. Elektrische Heizung (100) gemäß Anspruch 2, wobei der erste Knoten (N4, N5, N6) und der zweite Knoten (N1 , N2, N3) durch eine Verbindungsleitung elektrisch verbunden sind, wobei in der Verbindungsleitung ein elektrisches Bauelement verschaltet ist, das einen Stromfluss von dem zweiten Knoten zu dem ersten Knoten unterbindet, vorzugsweise eine Diode. 3. Electric heater (100) according to claim 2, wherein the first node (N4, N5, N6) and the second node (N1, N2, N3) are electrically connected by a connecting line, wherein an electrical component is connected in the connecting line which prevents a current flow from the second node to the first node, preferably a diode. 4. Elektrische Heizung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder der Stränge (10, 20, 30) jeweils einen ersten Knoten (N4, N5, N6) und einen zweiten Knoten (N1 , N2, N3) aufweist. 4. Electric heater (100) according to one of claims 1 to 3, wherein each of the strands (10, 20, 30) has a first node (N4, N5, N6) and a second node (N1, N2, N3). 5. Elektrische Heizung (100) gemäß Anspruch 4, wobei wenigstens drei Stränge (10, 20, 30) eingerichtet sind, wobei der erste Knoten (N4, N5, N6) des zweiten Strangs mit dem zweiten Knoten (N3, N4, N5) eines von dem ersten Strang verschiedenen dritten Strangs (10, 20, 30) verbunden ist. 5. Electric heater (100) according to claim 4, wherein at least three strands (10, 20, 30) are arranged, wherein the first node (N4, N5, N6) of the second strand is connected to the second node (N3, N4, N5) of a third strand (10, 20, 30) different from the first strand. 6. Elektrische Heizung (100) gemäß Anspruch 5, wobei alle Stränge (10, 20, 30) der Reihe nach jeweils über Verbindungsleitungen zwischen den ersten Knoten (N4, N5, N6) eines Strangs und den zweiten Koten (N1 , N2, N3) eines nächsten Strangs miteinander verbunden sind, wobei der letzte der Stränge (10, 20, 30) in der Reihe über die entsprechende Verbindungsleitung wieder mit dem ersten Strang (10, 20, 30) verbunden ist. 6. Electric heater (100) according to claim 5, wherein all strands (10, 20, 30) are connected to one another in sequence via connecting lines between the first nodes (N4, N5, N6) of a strand and the second nodes (N1, N2, N3) of a next strand, wherein the last of the strands (10, 20, 30) in the series is connected again to the first strand (10, 20, 30) via the corresponding connecting line. 7. Elektrische Heizung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Heizwiderstände (R1 , R2, R3) gleich sind. 7. Electric heater (100) according to one of claims 1 to 6, wherein the heating resistors (R1, R2, R3) are equal. 8. Elektrische Heizung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die hoch- und niederseitigen Schalteinrichtungen als Halbleiterschalter eingerichtet sind. 8. Electric heater (100) according to one of claims 1 to 7, wherein the high- and low-side switching devices are configured as semiconductor switches. 9. Elektrische Heizung (100) gemäß Anspruch 9, wobei die hochseitigen Schalteinrichtungen als Thyristoren, vorzugsweise als SCR eingerichtet sind, und/oder die niederseitigen Schalteinrichtungen als Transistoren eingerichtet sind. 9. Electric heater (100) according to claim 9, wherein the high-side switching devices are designed as thyristors, preferably as SCRs, and/or the low-side switching devices are designed as transistors. 10. Elektrische Heizung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend eine Steuervorrichtung (200), die konfiguriert ist, die Schalteinrichtungen (S1 -10. Electric heater (100) according to one of claims 1 to 9, comprising a control device (200) configured to control the switching devices (S1 - S6) zeitlich getrennt voneinander zu öffnen und zu schließen. S6) to open and close at different times. 11 . Elektrische Heizung (100) gemäß Anspruch 10, wobei die Steuervorrichtung (200) konfiguriert ist, durch Betätigen der Schalteinrichtungen (S1 - S6) die Heizleistung durch Pulsweitenmodulation einzustellen. 11. Electric heater (100) according to claim 10, wherein the control device (200) is configured to adjust the heating power by pulse width modulation by actuating the switching devices (S1 - S6). 12. Elektrische Heizung (100) gemäß Anspruch 11 , wobei die Steuereinrichtung konfiguriert ist, die Schalteinrichtungen (S1 - S6) ausschließlich sequentiell mit einem zwischenliegenden gegenseitigen Zeitabstand zu betätigen. 12. Electric heater (100) according to claim 11, wherein the control device is configured to operate the switching devices (S1 - S6) exclusively sequentially with a mutual time interval therebetween. 13. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: 13. A method for operating an electric heater (100) according to any one of the preceding claims, comprising: Bereitstellen der Spannung zwischen dem ersten Anschluss (1 ) und dem zweiten Anschluss (2); Providing the voltage between the first terminal (1) and the second terminal (2); Einstellen eines Zustands der hoch- und niederseitigen Schalteinrichtungen, in welchem in einem ersten der Stränge die beiden hoch- und niederseitigen Schalteinrichtungen eingeschaltet und in einem zweiten der Stränge die beiden hoch- und niederseitigen Schalteinrichtungen ausgeschaltet sind, so dass ein Strom durch den ersten Heizwiderstand fließt, aber nicht durch den zweiten Heizwiderstand; nach Ablauf einer ersten Zeitspanne (t1 -tO) nach dem Einstellen des Zustands Einschalten der niederseitigen Schalteinrichtung des zweiten Strangs; nach Ablauf einer zweiten Zeitspanne (t2-t1) nach dem Einschalten der niederseitigen Schalteinrichtung des zweiten Strangs Ausschalten der niederseitigen Schalteinrichtung des ersten Strangs, so dass ein Strom durch den ersten und den zweiten Heizwiderstand fließt. Setting a state of the high- and low-side switching devices in which in a first of the strands the two high- and low-side switching devices are switched on and in a second of the strands the two high- and low-side switching devices are switched off, so that a current flows through the first heating resistor, but not through the second heating resistor; after a first time period (t1 -t0) has elapsed after setting the state, switching on the low-side switching device of the second strand; after a second time period (t2-t1) has elapsed after switching on the low-side switching device of the second strand, switching off the low-side Switching device of the first strand so that a current flows through the first and second heating resistors. 14. Verfahren gemäß Anspruch 13, ferner umfassend: nach Ablauf einer dritten Zeitspanne (t3-t2) nach dem Ausschalten der niederseitigen Schalteinrichtung des ersten Strangs Einschalten der hochseitigen Schalteinrichtung des zweiten Strangs; nach Ablauf einer vierten Zeitspanne (t4-t3) nach dem Einschalten der hochseitigen Schalteinrichtung des zweiten Strangs Ausschalten der hochseitigen Schalteinrichtung des ersten Strangs, so dass ein Strom durch den zweiten Heizwiderstand fließt, aber nicht mehr durch den ersten Heizwiderstand. 14. The method according to claim 13, further comprising: after a third time period (t3-t2) has elapsed after the low-side switching device of the first strand has been switched off, switching on the high-side switching device of the second strand; after a fourth time period (t4-t3) has elapsed after the high-side switching device of the second strand has been switched on, switching off the high-side switching device of the first strand so that a current flows through the second heating resistor, but no longer through the first heating resistor.
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