電加熱設備、包括電加熱設備的車輛以及電加熱設備的控制方法

2023-12-11 04:24:32 2

電加熱設備、包括電加熱設備的車輛以及電加熱設備的控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種電加熱設備（10；100），其包括至少一個第一電阻加熱裝置（12，118）和第二電阻加熱裝置（14；32）、能夠進行第一電阻加熱裝置（12；118）和/或第二電阻加熱裝置（14；132）的脈寬調製操作的至少一個脈寬調製裝置（52；120，126）、以及至少一個切換裝置（16，17，20，21；112，122）。該切換裝置（16，17，20，21；112，122）能夠針對加熱操作，在第一加熱模式和第二加熱模式之間選擇性切換第一電阻加熱裝置（12，118）和第二電阻加熱裝置（14；132），在該第一加熱模式下，第一電阻加熱裝置（12，118）和第二電阻加熱裝置（14；132）串聯電連接，而在該第二加熱模式下，第一電阻加熱裝置（12，118）和第二電阻加熱裝置（14；132）並聯電連接。本發明還涉及一種包括電加熱設備（10；100）的車輛以及一種控制電加熱設備（10；100）的方法。
【專利說明】電加熱設備、包括電加熱設備的車輛以及電加熱設備的控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電加熱設備以及一種包括電加熱設備的車輛和一種用於控制電加熱設備的方法。
【背景技術】
[0002]在現代車輛中經常採用獨立於發動機的車輛加熱器或者輔助加熱系統。在很多情況下，這樣的加熱系統配備有用於使車輛的燃料燃燒的燃燒器。在越來越頻繁出現的不以燃料運行的電動車輛中，無法採用這樣的無關於發動機的或輔助的加熱系統，因為電動車輛通常不攜載燃料，並因而提供唯獨用於加熱系統的燃料箱是不合理的。相反，採用電操作加熱系統將適合於電動車輛。然而，電加熱設備也可以適用於具有內燃機的車輛，從而例如節省燃料。在工作中，電加熱器可以對提供給其加熱元件的加熱電壓的波動做出靈敏的響應。另一方面，電加熱器本身是具有高性能要求的用電設備，使得諸如脈衝加熱操作的波動將對電壓源的穩定性造成不利影響。例如，在電加熱設備中可能會產生波紋電流，其可能傳遍連接到該加熱系統的電網。

【發明內容】

[0003]本發明的目的在於提供一種電加熱設備，即使在電源電壓發生變化或者電源電壓發生波動的情況下，該電加熱設備也可以受到有效且精確的控制。還將提供配備這樣的加熱系統的車輛以及用於控制電加熱設備的有效方法。
[0004]這一目的由獨立權利要求的特徵來實現。
[0005]根據從屬權利要求，本發明的其它有利實施例和進一步發展將變得顯而易見。
[0006]在本說明書的框架內，應當將電加熱設備理解為將電功率轉化為熱以對介質或體積直接或間接加熱的加熱系統。這樣的介質可以是流體，諸如氣體(例如，空氣)或諸如液體(例如，水)。具體而言，該電加熱設備可提供給例如車輛(諸如電動車輛)的移動部署。為了將電功率轉化為熱，例如，可以採用電阻加熱裝置。電阻加熱裝置可以包括一個或多個電阻器或加熱元件。在電流流過時產生熱的電阻器可以被視為加熱電阻器或加熱元件。與線路電阻相比，電阻加熱系統中這樣的加熱電阻器一般具有高電阻值。例如，加熱電阻器可以被形成為纏繞成線圈的導線或加熱絲。電阻加熱系統的特徵在於，由其生成的熱量中的大部分是由一個或多個電阻器生成的。具體而言，可以設想電阻加熱系統轉換的電功率基本上或者大部分被轉化成了熱量。可以將有效用於生成熱或者對提供用於加熱的介質或體積進行加熱的電阻加熱系統或加熱電阻器的電阻值稱為加熱電阻值。具體而言，這樣的電阻加熱系統或加熱電阻器可以包括金屬和/或導電材料，或者可以由該金屬和/或導電材料製造而成。該材料可以具有基本上隨溫度線性升高的電阻。具體而言，合理的是，加熱電阻器或者電阻加熱系統包括正溫度係數熱敏電阻材料或由其製造而成。該材料可以是非陶瓷的。電壓源或電流源可以提供用於電加熱設備的加熱電壓或加熱電流。這裡，車輛的，尤其是電動車輛的車載(on-board)網絡可以用作加熱電壓的電壓源。該加熱電壓或電源電壓可以是直流電壓。可以將施加至一個或多個電阻加熱系統或加熱電阻器的用於將電功率轉換為熱的電壓視為加熱電壓或電源電壓。電壓源可以提供標稱電壓。可以設想電壓源提供最大電壓。這一最大電壓可以等於標稱電壓或者稍微超過該標稱電壓，具體而言超過 1%、5%、7%、10% 或 20%。標稱電壓可以等於或超過 250V、400V、500V、550V、600V 或 650V。這裡提到的電壓值，尤其是閾值可以被視為電壓的數量值。因而，通常由於數量更大而必須將-250V的電壓視為大於-50V的電壓。例如，可以通過檢查是否出現了電壓值的相關變化而識別出電壓值低於還是高於閾值。電源電壓在時間上非恆定是可行的，例如，如果在使用中，由於用電設備的連接而使得電壓降至標稱電壓以下。電加熱設備可以按照脈寬調製方式來操作。在這種情況下，可以經由脈寬調製裝置控制電加熱設備和/或電加熱設備的一個或多個電阻加熱系統，從而使它們根據一個或多個脈衝控制信號來工作。具體而言，可能發生流經電阻加熱系統或加熱電阻器的電流。在這種情況下，例如，電晶體可以根據脈衝控制信號允許電流流經電阻加熱系統。這樣的電晶體可以是例如具有絕緣柵電極的雙極電晶體(絕緣柵雙極電晶體，IGBT )、金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET )或者另一設計的電晶體。脈寬調製裝置可以包括可以通過不同或者相同的脈衝控制信號控制的一個或多個電晶體。脈衝控制信號可以是周期性的。其每一周期可以具有一個或多個零循環。可行的是脈衝控制信號基本上是矩形信號。具體而言，不同的脈衝控制信號就其相位而言可能存在差別。可以指示百分比值作為脈寬調製的測量值。在這種情況下，該百分比值描述一個周期或者時幀中的脈衝控制信號允許電流流經電阻加熱系統或加熱電阻器的部分。在這一點上，可以將時間上恆定的信號視為具有100%的脈寬調製的信號。可以設想，除非施加相關聯的脈衝控制信號，否則脈寬調製裝置不允許電流流經一個或多個相關聯的電阻加熱系統。可以假設，如果脈衝控制信號具有或者超過了預定幅度或者預定幅度數量，則施加用於允許電流流動的脈衝控制信號。可以將電加熱設備設計為提供在特定輸出範圍內的熱輸出量。具體而言，電加熱設備可以是針對最大熱輸出而設計的。最大熱輸出可適於最大和/或標稱電源電壓。最大熱輸出是或者超過(例如)3000W、4000W、5000W、6000W或7000W都會是合理的。電加熱設備相對於其熱輸出可以是可調整的。可以設想期望或者所需的熱輸出是可調整的。為此，可以為設定期望的熱輸出提供設定裝置。對於諸如電晶體的切換元件而言，一般適用於以下情況，即，如果向該切換元件施加控制信號或切換信號而使它們處於「接通」狀態，則將使它們允許特定的電流流經自身。對於電晶體而言，其尤其意味著，向控制輸入(柵極)施加控制信號而允許電流流經電晶體的輸入和輸出。對於電磁開關而言，切換信號或控制信號可以作用於諸如線圈的螺線管上，以實現期望的開關位置。
[0007]描述了一種至少包括第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置的電加熱設備。該電加熱設備包括至少一個脈寬調製裝置以及至少一個切換裝置，該脈寬調製裝置能夠進行該第一電阻加熱裝置和/或第二電阻加熱裝置的脈寬調製操作。該切換裝置能夠針對加熱操作在第一加熱模式和第二加熱模式之間選擇性切換第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置，在該第一加熱模式下，第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置串聯電連接，而在第二加熱模式下，第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置並聯電連接。因此，該第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置根據加熱模式而提供不同的總加熱電阻，其相應地對電加熱設備的加熱性能產生影響。在該第一和/或第二加熱模式下，該第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置可以根據脈寬調製裝置而導電連接至電壓源，從而使加熱電流流過或者可以流過它們。在第二加熱模式下，如果使該第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置並聯電連接，則與第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置串聯電連接的第一加熱模式相比，在該加熱系統中將出現總計更低的總加熱電阻。由於所描述的布置而確保了將需要很小的安裝空間的更加緊湊構造的加熱系統。如果電源電壓在時間上可調，也能夠使電加熱設備有效工作。具體而言，不同的加熱模式能夠將加熱操作調整到所需的不同加熱能力以及改變電源電壓，從而由脈寬調製獲得對加熱能力的增強控制。第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置的加熱電阻值可以基本相等或者具有不同的設計。在相同加熱電阻值的情況下，將實現對電加熱設備的尤為簡單的操縱和控制。該電阻加熱裝置，尤其是該電阻加熱裝置的加熱電阻器可以與要加熱的介質接觸。這樣的介質可以是流體，諸如氣體(例如，空氣)或者諸如液體(例如，水)。可以設想，電阻加熱裝置的被提供為與所要加熱的介質接觸的加熱電阻器通過合適的電絕緣來相對於該介質(尤其是水)絕緣。在這種情況下，合理的是絕緣具有良好的導熱性。電加熱設備可以具有兩條可獨立於彼此切換的關閉路徑。可以通過脈寬調製裝置提供第一條關閉路徑。具體地，合理的是對於脈寬調製裝置而言，如果不向其提供電流或者不向其提供脈衝控制信號，則將中斷或者停止該加熱系統的加熱操作。還可以設想，如果採用多個脈衝控制信號和/或脈衝控制信號路徑，則該脈寬調製裝置關閉加熱系統，例如因為已經發生了故障。可以通過切換裝置提供第二關閉路徑。可以有利的是，當處於不向切換裝置提供電流和/或不施加切換信號和/或不施加特定切換信號時，切換裝置關閉加熱系統或者中斷或停止向第一電阻加熱裝置和/或第二電阻加熱裝置進行能源供應。切換裝置可以包括一個、兩個或者更多可獨立切換的切換元件。該切換元件可以是機電和/或半導體切換元件。脈寬調製裝置可以包括一個、兩個或更多可獨立切換的元件，具體而言，該元件可以是半導體元件。
[0008]可以設想，該切換裝置還能夠為了進行加熱操作而將第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置切換到唯獨使第一電阻加熱裝置或者唯獨使第二電阻加熱裝置工作的第三加熱模式。之後，可以對獨自工作的電阻加熱裝置進行切換，從而根據脈寬調製裝置將其導電連接至電壓源，進而使加熱電流流過或者可以流過它。具體而言，可以設想關閉不在第三加熱模式下工作的電阻加熱裝置，或者在該加熱模式下不在第三加熱模式下工作的電阻加熱裝置將不被導電連接至電源電壓。因此，可以採用僅取決於第一電阻加熱裝置或第二電阻加熱裝置的附加的加熱電阻值進行加熱操作。可取的是將切換裝置形成為使其能夠將第一電阻加熱裝置切換到第三加熱模式下的獨自工作以及將第二電阻加熱裝置切換至第四加熱模式下的獨自工作。因而可以實現電阻加熱裝置的冗餘度。此外，在第一電阻加熱裝置的電阻值和第二電阻加熱裝置的電阻值是不同的情況下，則可以採用另外的加熱電阻值進行加熱操作。
[0009]可以將切換裝置形成為繼電器電路。具體而言，可以提供一個或多個電操作或者可電操作的機械開關作為集電器元件，以在加熱模式之間進行切換。可以提供這樣的開關作為切換裝置的開關元件。其實現了加熱裝置的魯棒設計。可取的是切換裝置另外包括一個或多個可切換的半導體元件作為切換元件。
[0010]可以將切換裝置形成為準全橋。這裡可以主要採用半導體切換元件。這樣的準全橋經濟有效，且節省空間。此外，採用這樣的解決方案不會發生可能帶來令人煩擾的切換聲曰?
[0011]在進一步的發展中，第一電阻加熱裝置的加熱電阻值可以基本上等於第二電阻加熱裝置的加熱電阻值。由此得到了對稱且尤為簡單的電加熱設備設計。
[0012]在第一加熱模式和/或第二加熱模式下，可以將第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置連接至共同的電源。可以以這種方式實現電加熱設備的簡單控制和簡單操作。
[0013]具體而言，電加熱設備可以包括控制裝置，或者連接至或可連接至控制裝置。例如，可以將控制裝置形成為包括合適的微控制器或控制晶片的電子控制裝置。在這種情況下，如果控制裝置與較高級別的控制裝置通信和/或將控制裝置形成為除了對電加熱設備進行控制之外還能夠控制其它裝置的公共控制裝置，這是可取的。例如，可以將電加熱設備的控制裝置例如經由合適的車輛通信網絡(諸如總線系統，尤其是CAN總線或LIN總線)連接至車輛的車載計算機。也可行的是，將電加熱設備的控制裝置直接集成到車輛的車載計算機系統或者車輛的空調裝置內。控制裝置可以連接至用於設定所需的加熱輸出的設定裝置。可行的是設定裝置包括用戶接口，用戶能夠經由該用戶接口直接或者間接設定或影響所需的加熱輸出。可以將控制裝置經由輸出連接至切換裝置和/或脈寬調製裝置。具體而言，可以將控制裝置設計為通過切換信號控制切換裝置或切換裝置的切換元件。可以設想，控制裝置通過相關聯的脈衝控制信號控制脈寬調製裝置。
[0014]可以將控制裝置設計為基於電源電壓的電壓值和/或電加熱設備的所需加熱輸出來控制切換裝置和/或脈寬調製裝置。因而，電加熱設備在加熱電壓或電源電壓具有不同值的情況下能夠很好地響應於電源電壓的不同值，並還可以受到有效且精確地控制。具體而言，可取的是:將控制裝置設計為對切換裝置進行控制，以獲得一加熱模式，這一加熱模式在具有特定的所需加熱輸出和/或給定的電源電壓的情況下以最大可能的脈寬調製(即在周期期間的最大可能的加熱率)來工作。可以通過將加熱系統或切換裝置切換到一加熱模式實現這一目的，在這一加熱模式中，總加熱電阻是可以在給定的電源電壓下提供所需的加熱輸出的最高可設定總電阻。以這種方式，可以採用脈衝周期的最大可能的部分進行加熱。可以將控制裝置設計為與一個 或多個傳感器通信。可取的是，將控制裝置連接至電壓傳感器。可以將電壓傳感器設計為測量加熱電壓。可行的是，電壓傳感器可以能夠向控制裝置發送與所測電壓相關的電壓信號。具體而言，可以設想控制裝置能夠向切換裝置和/或脈寬調製裝置發送合適的切換和/或控制信號。
[0015]具體而言，可以設想將控制裝置設計為，如果電加熱設備的電源電壓的電壓值處於第一閾值和比第一閾值低的第二閾值之間的範圍，則將控制切換裝置以使該電加熱設備工作在第一加熱模式下。例如，第一閾值可以是電源電壓的標稱值或者可以比該值大適當的值。具體而言，第一閾值可以比標稱值大大約1%、5%、10%、15%或20%。在這種情況下，第一加熱模式基本上等於電源電壓處於標稱值的範圍內的標稱工作模式。
[0016]可以將控制裝置設計為，如果電加熱設備的電源電壓的電壓值小於第三閾值則控制切換裝置以使該電加熱設備工作在第二加熱模式下。具體而言，第三閾值可以小於等於第二閾值。因而，在高電源電壓的情況下，可以使加熱工作在第一加熱模式下，在該第一加熱模式下，由於第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置串聯電連接因而存在高的總加熱電阻。因而可以將脈寬調製執行為使加熱電流實際上在脈衝周期的儘可能長的時間期間流動。假設相同的所需輸出和低的電源電壓，則可以將電加熱設備切換至工作在第二加熱模式下，在該第二加熱模式下給出了低的總加熱電阻。
[0017]可取的是，將該控制裝置設計為如果電加熱設備的電源電壓的電壓值處於從第三閾值到大於第三閾值的第四閾值的範圍內，則控制該切換裝置使電加熱設備工作在第三加熱模式下。在這種情況下，第四閾值尤其可以小於如上所述的第二閾值。因此，僅採用電阻加熱裝置之一進行加熱的加熱模式所產生的結果介於具有電阻加熱裝置並聯連接的工作和具有電阻加熱裝置串聯連接的加熱模式之間。以這種方式可獲得甚至更寬的操作選擇範圍。當然，可以設想將控制裝置設計為，如果電加熱設備的電源電壓的電壓值處於從第四閾值到大於第四閾值的第五閾值的範圍內則切換該切換裝置以使電加熱設備工作在第四加熱模式下。如果第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置的電阻值彼此不同，則這種做法將尤為可取。在這一點上，可以設想採用或者切換到具有較高電阻值的電阻加熱裝置以在第四加熱模式下進行加熱，而在第三加熱模式下採用或者切換到具有較低加熱電阻的電阻加熱裝置進行加熱。
[0018]具體而言，配備有文中描述的電加熱設備的車輛是可行的。在這種情況下，可以通過車輛的車載網絡提供電加熱設備的電源電壓。車載網絡可以提供具有上文提及的標稱值之一的電源電壓。根據車輛的工作狀態和/或類型，電源電壓的值處於例如0V、100V、150V、200V、250V和標稱值的範圍內。具體而言，車輛可以是電動車輛。
[0019]此外，描述了一種用於控制電加熱設備的方法，其中，電加熱設備可以是文中描述的電加熱器之一。針對加熱操作，任選使第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置切換到第一加熱模式或者第二加熱模式，對於第一加熱模式而言，第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置串聯電連接，對於第二加熱模式而言，第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置並聯電連接。可以設想，將第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置切換至唯獨使第一電阻加熱裝置或者唯獨使第二電阻加熱裝置進行加熱操作的第三加熱模式。具體而言，可以設想針對該加熱模式關閉不在第三加熱模式下工作的電阻加熱裝置。可取的是將第一電阻加熱裝置切換至對於第一加熱模式獨自工作，且將第二電阻加熱裝置切換至對於第四加熱模式獨自加熱操作。可以由切換裝置實施電阻加熱裝置的對應加熱模式的切換。在第一加熱模式和/或第二加熱模式下，可以將第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置連接至共同電源。可以設想，由控制裝置控制切換裝置，從而實現在加熱模式之間的切換。控制裝置可以與更高級別的控制裝置通信，和/或被形成為對除電加熱設備之外的其它裝置也進行控制的公共控制裝置。控制裝置可以連接至用於設定所需加熱輸出的設定裝置，或者與其通信。控制裝置可以基於電源電壓的電壓值和/或所需的電加熱設備的加熱操作，來控制切換裝置和/或脈寬調製裝置。尤其可取的是，控制裝置對切換裝置進行控制，以獲得一加熱模式，這一加熱模式允許在特定的所需加熱輸出和/或給定電源電壓的情況下，以儘可能高的脈寬調製(即在周期期間的儘可能高的加熱率)來工作。可以通過將加熱系統或切換裝置切換到總加熱電阻為最高總電阻的加熱模式來實現這一點，其中可以在能夠提供所需的加熱輸出的給定電源電壓上設定該總加熱電阻。控制裝置可以與一個或多個傳感器通信。可取的是，將控制裝置連接至電壓傳感器。電壓傳感器可以測量加熱電壓。可行的是，電壓傳感器將與所測電壓相關的電壓信號發送至控制裝置。控制裝置可以基於其從一個或多個傳感器(尤其是從電壓傳感器和/或設定裝置)接收到的信號控制切換裝置。可以設想，如果電加熱設備的電源電壓的電壓值處於從第一閾值到低於第一閾值的第二閾值的範圍內，則控制裝置控制切換裝置，以使電加熱設備工作在第一加熱模式下。如果在電加熱設備的電源電壓的電壓值低於第三閾值，控制裝置則可以對切換裝置進行控制，以使電加熱設備工作在第二加熱模式下。具體而言，第三閾值可以小於等於第二閾值。可以根據加熱系統工作的加熱模式執行脈寬調製，以使得加熱電流實際在脈衝周期的儘可能長的時間期間流動。在相同的所需輸出和更低的電源電壓的情況下，可以將電加熱設備切換至工作在第二加熱模式中，在該第二加熱模式中，得到較低的總加熱電阻，以便儘管是低的電源電壓也能夠提供所需的加熱輸出。可取的是，如果電加熱設備的電源電壓的電壓值處於從第三閾值到大於第三閾值的第四閾值的範圍內，控制裝置對切換裝置進行控制，以使電加熱設備工作在第三加熱模式下。在這種情況下，第四閾值尤其可以小於上文提及的第二閾值。可以設想，如果電加熱設備的電源電壓的電壓值處於從第四閾值到大於第四閾值的第五閾值的範圍內，則控制裝置對切換裝置進行控制，以使電加熱設備工作在第四加熱模式下。如果第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置的電阻值彼此不同，這種做法尤為可取。在這一點上，可以設想採用或者切換到具有較高電阻值的電阻加熱裝置來在第四加熱模式下加熱，而採用或者切換到具有較低加熱電阻的電阻加熱裝置來在第三加熱模式下加熱。對於閾值和電壓值而言，關於電加熱設備所述的內容均適用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]現在將參考附圖藉助優選實施例通過示例的方式來描述本發明，其中:
[0021]圖1示出了包括繼電器電路的電加熱設備的示意性視圖；
[0022]圖2示出了包括準全(quas1-full)橋的電加熱設備的示意性視圖；以及
[0023]圖3示出了包括不同脈衝的加熱電流的視圖。
【具體實施方式】
[0024]在圖1中示意性示出了電加熱設備10。電加熱設備10包括第一加熱電阻器12和第二加熱電阻器14，該第一加熱電阻器12和第二加熱電阻器14在本示例中用作第一電阻加熱裝置和第二電阻加熱裝置。提供第一開關16，可以經由線圈17使該第一開關16在「接通」狀態和「關斷」狀態之間進行切換。可以經由第一切換線18為線圈17提供功率。將第一開關16形成為繼電器開關。在圖1中，將該開關示為處於「關斷」狀態。此外，提供第二開關20，可以經由線圈21使該第二開關20在「接通」狀態和「關斷」狀態之間進行切換。在圖1中，將被形成為繼電器開關的開關20示為處於「關斷」狀態。可經由第二切換線22為線圈21提供功率，以對開關20進行切換。可以將第一開關16、第二開關20、以及相關聯的線圈17、21視為切換裝置的元件。將切換線18和22連接至切換電壓源24的公共電極。為此，提供切換線18和22的切換節點19，其經由切換線圈17、21連接至切換線18和22。在該示例中，切換電壓源可以為切換線18、22提供12V的切換電位。如果經由切換線18施加了相關聯的切換電壓，則可以為線圈17提供功率，從而將第一開關16切換至「接通」狀態。類似地，可以通過向切換線22施加電壓信號而為線圈21提供功率，以對開關20進行切換。
[0025]此外，提供用於電加熱設備10的電壓源的電極26、28，經由電極26、28提供加熱電壓。連接至電壓源的第一電極26的電源線30在電源節點32處分支成第一電源支路34和第二電源支路36。將第一電源支路34連接至第一開關16。將第二電源支路36連接至第二開關20。可以將第一電源支路34經由第一開關16連接至第一加熱線38，在該第一加熱線38中設置了第一加熱電阻器12。此外，提供連接至電壓源的第二電極的第二電源線40。第二電源線40在第二電源節點42處分支成第三電源支路44和第四電源支路46。將第二電源線40的第三電源支路44連接至第一開關16。將第一開關16設置為使其能夠在「關斷」狀態下將加熱線38連接至第二電源線40的第三電源支路44。在「接通」狀態下，第一開關16將加熱線38連接至第一電源線30的第一電源支路34。將第二電源線40的第四電源支路46經由加熱節點48連接至第一加熱線38。將第二加熱電阻器14連接在加熱節點48和第二電源節點42之間的第四電源支路46中。將第一加熱電阻器12連接在加熱節點48和第一開關16之間的加熱線38中。將第二開關20經由繼電器線50連接至加熱節點48。將第二開關20經由繼電器線50連接至加熱節點48。在「接通」狀態下，第二開關20將第一電源線30的第二電源支路36連接至加熱節點48。在「關斷」狀態下，將不會經由第二開關20在加熱節點48和電源線30、40之一之間建立導電連接。此外，在第二電源線40的第二電源節點42和電源電壓的第二電極28之間提供脈寬調製裝置52。在這種情況下，將脈寬調製裝置52形成為電晶體，在該示例中，為IGB電晶體。將脈寬調製信號或脈衝控制信號經由控制線54作為控制信號發送至脈寬調製裝置52。具體而言，可以將脈寬調製裝置52的輸入端和輸出端(集電極和發射極)設置為使得輸入端連接至第二電源節點42而輸出端連接至電極28。將脈寬調製裝置52的控制輸入端(柵極)連接至控制線54。如果由脈寬調製信號或者脈衝控制信號將脈寬調製裝置52切換為通路，則根據原理加熱電流可以在電壓源的電極26、28之間流動。在由於例如信號運行在周期性的零點或者根本未施加任何信號而未向控制線54施加信號的時間期間，相應地,在電源電壓的電極26、28之間沒有電流流動。因此，因為在未經由控制線54施加脈寬調製信號的情況下，電加熱設備10將由此而被關閉，所以經由脈寬調製裝置52啟用了電加熱設備10的第一關閉路徑。脈衝控制信號可以是矩形信號。連接至切換線18、22和控制線54的箭頭表示能夠向切換線18、22或者控制線54施加切換信號或者脈衝控制信號的控制裝置的輸出。該控制裝置基於經由電極26、28提供的電源電壓的電壓值和/或電加熱設備的所需熱輸出，來控制切換裝置和/或脈寬調製裝置52。為此，它經由其輸出端輸出相關聯的切換信號和/或控制信號。
[0026]電加熱設備10的在該情況下包括開關16和20的切換裝置可以進行如下切換。
[0027]如果第一開關16和第二開關20都處於「關斷」狀態，在電壓源的第一電極26和第二電極28之間則能夠不存在導電連接。因此，經由開關16、20建立了與第一關閉路徑無關的第二關閉路徑。
[0028]如果第一開關16處於「關斷」狀態而第二開關20處於「接通」狀態，第一加熱電阻器12和第二加熱電阻器14將並聯連接。將第一電源節點32經由第二開關20、加熱節點48、第二加熱電阻器14和第二電源節點42導電連接至第二電源線40。此外，經由第二電源支路36、第二開關20、加熱節點48、加熱線36中的加熱電阻器12、以及開關16建立第一電源線30到與之平行的第二電源線40的導電連接。實際上，開關16在「關斷」狀態下將加熱線38連接至第二電源線40的第三電源支路44。因此，第一加熱電阻器12和第二加熱電阻器14可以並聯工作，並且可以根據經由控制線54控制的脈寬調製裝置52向第一加熱電阻器12和第二加熱電阻器14提供加熱電流。[0029]如果第一開關16處於「接通」狀態而第二開關20處於「關斷」狀態，則經由第一電源線30、第一電源支路34、「接通」開關16、經由加熱節點48包括第二加熱電阻器14的加熱線38、包括第二加熱電阻器14的第四電源支路、以及第二電源節點42在電壓源的第一電極26至電壓連接的第二電極28之間建立導電連接。因此，為第一加熱電阻器12和第二加熱電阻器14提供串聯加熱電流，並以串聯連接來工作。
[0030]如果第一開關16和第二開關20分別處於「接通」狀態，則經由第一電源節點32、第二電源支路36、第二開關20、繼電線50、加熱節點48、包括第二加熱電阻器14的第四電源支路46、以及第二電源節點42建立從第一電源線30到第二電源線40的連接。因此，可以為第二加熱電阻器14提供功率。將加熱線38中的第一加熱電阻器12經由第二開關20和第二電源支路36以及經由第一開關16和第一電源支路34連接至第一電源節點32，從而在第一加熱電阻器12兩端不發生電壓降。因此，在這種情況下，僅向第二加熱電阻器14提供功率，並因此根據脈寬調製裝置52的控制對該第二加熱電阻器14進行加熱操作。
[0031]在該示例中，由於僅將脈寬調製裝置52形成為需要相當大切換負載的半導體通路，因而所產生的切換損耗低。作為繼電器的開關16、20能夠基本上無負載地被切換。此夕卜，可以將該切換裝置設計為，該繼電器在缺陷控制的情況下分別處於「關斷」狀態，例如如果繼電器變為斷開，由此使加熱電阻器自動與電源電壓斷開。
[0032]圖2示出了包括準全橋的加熱100的示意性視圖。電加熱設備100包括連接至電壓源的第一電極102的第一電源線104。第一電源線104在第一電源節點105處分支成第一電源支路108和第二電源支路110。將第一電源支路108連接至高側第一切換電晶體112。第一加熱線114將形成為IGB電晶體的較高側第一切換電晶體112連接至加熱節點116。具體而言，可以將第一切換電晶體112的輸入端(集電極)連接至第一電源支路108，並將輸出端(發射極)連接至第一加熱線114。將第一加熱電阻器118和第一脈寬調製器120的輸入端(集電極)串聯連接至加熱節點116。將該較低側脈寬調製器120形成為IGB電晶體。將第二電源支路110連接至也被形成為IGB電晶體的較高側第二切換電晶體122的輸入端。將第二切換電晶體122的輸出端經由線124連接至第二脈寬調製器126的輸入端。在線124中，在第二切換電晶體122和第二脈寬調製器126之間提供第二加熱節點128。連接了第二加熱電阻器132的加熱線130從第二加熱節點128分支出。將加熱線130連接至第一加熱節點114，從而將第二加熱電阻器132連接在第一加熱節點114和第二加熱節點128之間。將第一脈寬調製器120和第二脈寬調製器126的輸出端經由線連接至共同的輸出節點134。另一方面，將輸出節點134連接至電壓源的第二電極136。因此，將脈寬調製器120、126的輸出端連接至電壓源的第二電極136。將第一切換線138連接至第一切換電晶體112的控制輸入端(柵極)，從而控制該第一切換電晶體112。以類似的方式，將第二切換線140連接至第二切換電晶體122的控制輸入端，從而控制該第二切換電晶體122。可以經由切換線138、140將相關聯的切換信號輸出至切換電晶體112、122，從而允許電流經由切換電晶體112、122的輸入端和輸出端從電壓源的第一電極102流出。將第一控制線142連接至較低側第一脈寬調製器120的控制輸入端。根據脈寬調製信號，可以經由第一控制線142接通或關斷第一脈寬調製器120。將第二控制線144連接至第二脈寬調製器126。與第一脈寬調製器120類似，可以根據施加到第二控制線144的信號來接通或關斷第二脈寬調製器126。第一脈寬調製器120和第二脈寬調製器126被單獨形成，並且可以獨立於彼此受到控制。可以將它們視為脈寬調製裝置的元件。具體而言，可以設想通過如由圖2中的信號波形所指示的發生了 180°相移的脈寬調製矩形信號來控制第一脈寬調製器120和第二脈寬調製器126。以這種方式，將導致完全減少的波紋電流，由此使車載網絡提供更加穩定的電流或電壓源。如果脈寬調製裝置120、126兩者均未處於「接通」狀況，則在電壓源的第一電極102和電壓源的第二電極136之間沒有電流流動。因此，由可獨立切換的脈寬調製器120、126建立了第一關閉路徑。尤其是在用於脈寬調製器的控制信號發生故障的情況下，確保了不會進行加熱操作。如結合圖1提到的，將切換線138、140和控制線142、144與未詳細描述的控制裝置的輸出端連接，控制裝置能夠向切換線138、140或者控制線142、144施加切換信號或脈衝控制信號。該控制裝置基於由電極102、136提供的電源電壓的電壓值和/或電加熱設備的所需熱輸出，來控制切換裝置和/或脈寬調製裝置。為此，它經由其輸出端輸出相關聯的切換信號和/或控制信號。在該示例中，可以將切換電晶體112、122視為切換裝置的元件。加熱電阻器118相當於第一電阻加熱裝置，而加熱電阻器132相當於第二電阻加熱裝置。
[0033]如果較高側第一切換電晶體112處於「關斷」狀態，且較高側第二切換電晶體122處於「接通」狀態，則將適當地僅開啟第一脈寬調製裝置120。因此，將存在從電壓源的第一電極102經由第二電源支路110、第一切換電晶體122、第二加熱節點128、包括第二加熱電阻器132的加熱線130、第一加熱節點114、第一加熱電阻器118和第一脈寬調製器120流到輸出節點134的電流。如果第二脈寬調製器126在這種情況下未受到控制，而處於不傳導任何電流的「關斷」狀態，則第一加熱電阻器118和第二加熱電阻器132相對於經由第一脈寬調製器120的導電路徑串聯連接。因此，可以根據施加至第一脈寬調製器120的控制信號使加熱電流經由串聯連接的加熱電阻器118、132流動。在這種狀態下，應當例如通過控制裝置不將第二脈寬調製器126切換至「接通」狀態，以避免第二切換電晶體122和第二脈寬調製器126之間的短路。
[0034]假設將第一切換電晶體112切換至「接通」狀態，且將第二切換電晶體122切換至「關斷」狀態，則將根據脈寬調製器120的控制建立不同可能的電流路徑。如果僅通過脈寬調製控制信號控制第一脈寬調製器120，而第二脈寬調製器126保持關閉，則將經由第一脈寬調製器120建立從第一電極102經由第一電源線104、第一電源節點106、第一切換電晶體112、第一加熱節點114、第一加熱電阻器118到輸出節點134，並由此到電壓源的第二電極136的電流路徑。因此，只對第一加熱電阻器118進行加熱。在第一脈寬調製裝置120不受控制但第二脈寬調製器126受到控制的情況下，將會產生電流將僅流經第二加熱電阻器132而不流經第一加熱電阻器118的導電路徑。如果將脈寬調製裝置120、126 二者都控制至IJ「接通」狀態，則基本上並聯通過第一加熱電阻器118和第二加熱電阻器132。然而，嚴格來說，只有在將兩個脈寬調製裝置120、126同時切換至「接通」狀態的情況下才能獲得加熱電阻器118、132的並聯連接。如果用於脈寬調製裝置120、126的脈寬調製的信號具有相同的相位或者取得脈衝跨越整個脈衝周期延伸的百分之百的脈寬調製，則尤其是這種情況。對於相移控制而言，電流可能交替流經第一加熱電阻器118和第二加熱電阻器132，即在脈寬調製器120、126之一由於脈寬調製信號而正處於「接通」狀態，而另一脈寬調製器126處於「關斷」狀態時。因此，在這樣的時間期間並未給出狹義的並聯連接。
[0035]因此，對於圖2所示的示例而言，將出現將第一切換電晶體112和第二切換電晶體122同時切換至「關斷」狀態的選擇一能夠獨立於第一關閉路徑切換的相對於第一關閉路徑冗餘的單獨的第二關閉路徑。如果將切換電晶體112和122這兩者都切換至「接通」狀態，則可根據電晶體的控制產生不同的電流路徑。在這種情況下也應當通過例如控制裝置的適當控制來避免切換電晶體122和脈寬調製器126的短路。具體而言，一般可以設想通過控制裝置來防止或禁止第二切換電晶體122和第二脈寬調製器126同時處於「接通」狀態。如果使第二脈寬調製器126保持在「關斷」狀態，則將產生主導加熱過程的通過第一加熱電阻器118的優選電流路徑。
[0036]由於與第二切換電晶體122和第二脈寬調製器126相反，第一切換電晶體112和第一脈寬調製器120因為加熱電阻器118連接在它們之間而並非直接相互連接，因而可以將圖2所示的電路稱為準全橋。在緊湊型設計中，可以將其製造成純半導體解決方案。可以設想將四個半導體電路，即例如第一切換電晶體112、第二切換電晶體122以及第一和第二脈寬調製器120、126實現為橋式模塊。在該示例中，將電晶體實現為IGB電晶體。然而，也可能採用任何合適類型的電晶體。
[0037]圖3示出了在電路的不同加熱電阻值的情況下的可能的脈衝電流汲取(draw)的視圖。示出了隨著以毫秒為單位的時間t而變化、由電壓源提供且具有以安培A為單位的電流強度I的加熱電流。U表示所施加的加熱電壓，P表示加熱輸出，Rlast表示總加熱電阻，並且PWM表示脈寬調製程度。對於所示出的曲線1、II和III而言，加熱的電流汲取分別等於1，562瓦。這等於加熱所需的加熱輸出。通常而言，熱功率消耗的表示如下:
[0038]
【權利要求】
1.一種電加熱設備(10 ;100)，包括: 至少一個第一電阻加熱裝置(12，118)和第二電阻加熱裝置(14 ;132)， 至少一個脈寬調製裝置(52 ;120，126)，其能夠進行所述第一電阻加熱裝置(12，118)和/或所述第二電阻加熱裝置(14 ；132)的脈寬調製操作， 以及至少一個切換裝置(16，17，20，21 ; 112，122)， 其中，所述切換裝置(16，17，20，21 ;112，122)能夠針對加熱操作，在第一加熱模式和第二加熱模式之間選擇性切換所述第一電阻加熱裝置(12，118)和所述第二電阻加熱裝置(14 ;132)，在所述第一加熱模式下，所述第一電阻加熱裝置(12，118)和所述第二電阻加熱裝置(14 ；132)串聯電連接，而在所述第二加熱模式下，所述第一電阻加熱裝置(12，118)和所述第二電阻加熱裝置(14 ；132)並聯電連接。
2.根據權利要求1所述的電加熱設備，其中，所述切換裝置(16，17，20，21;112，122)還能夠針對加熱操作將所述第一電阻加熱裝置(12，118)和所述第二電阻加熱裝置(14 ; 132)切換至第三加熱模式，在所述第三加熱模式中，所述第一電阻加熱裝置(12，118)或所述第二電阻加熱裝置(14 ; 132)被單獨操作。
3.根據權利要求1或 2所述的電加熱設備，其中，所述切換裝置(16，17，20，21)被形成為繼電器電路。
4.根據權利要求1或2所述的電加熱設備，其中，所述切換裝置(112，122)被形成為準全橋。
5.根據權利要求1到4之一所述的電加熱設備，其中，所述第一電阻加熱裝置(12，118)的加熱電阻值基本上等於所述第二電阻加熱裝置(14 ；132)的加熱電阻值。
6.根據權利要求1到5之一所述的電加熱設備，其中，在所述第一加熱模式和/或所述第二加熱模式下，所述第一電阻加熱裝置(12，118)和所述第二電阻加熱裝置(14 ;132)連接至共同的電流源(26，28 ;102，136)。
7.根據權利要求1到6之一所述的電加熱設備，其中，所述電加熱設備(10; 100)包括控制裝置，或者被連接至或可連接至控制裝置。
8.根據權利要求7所述的電加熱設備，其中，所述控制裝置被設計為基於電源電壓的電壓值和/或所需的所述電加熱設備(10 ；100)的加熱輸出，來控制所述切換裝置(16，17，20.21;112，122)和/或所述脈寬調製裝置(52 ;120，126)。
9.根據權利要求1到8之一所述的電加熱設備，其中，所述控制裝置被設計為，如果所述電加熱設備(10 ；100)的電源電壓的電壓值處於從第一閾值到小於所述第一閾值的第二閾值的範圍內，則控制所述切換裝置(16，17，20，21 ; 112，122)，以使所述電加熱設備(10 ；100)工作在所述第一加熱模式下。
10.根據權利要求1到9之一所述的電加熱設備，其中，所述控制裝置被設計為，如果所述電加熱設備(10 ；100)的電源電壓的電壓值小於第三閾值，則控制所述切換裝置(16，17，20.21;112，122)，以使所述電加熱設備(10 ; 100)工作在所述第二加熱模式下。
11.根據權利要求10所述的電加熱設備，其中，所述控制裝置被設計為，如果所述電加熱設備(10 ；100)的電源電壓的電壓值處於從所述第三閾值到大於所述第三閾值的第四閾值的範圍，則對所述切換裝置(16，17，20，21 ;112，122)進行切換，以使所述電加熱設備(10 ；100)工作在第三加熱模式下。
12.—種車輛,包括根據權利要求1到11之一所述的電加熱設備(10 ;100)。
13.根據權利要求12所述的車輛，其中，所述電加熱設備(10;100)的電源電壓由所述車輛的車載網絡提供。
14.根據權利要求12或13所述的車輛，其中，所述車輛是電動車輛。
15.—種用於控制根據權利要求1到11之一所述的電加熱設備(10 ；100)的方法,其中，所述切換裝置(16，17，20，21 ;112，122)針對加熱操作，在第一加熱模式和第二加熱模式之間選擇性切換所述第一電阻加熱裝置(12 ;118)和所述第二電阻加熱裝置(14 ;132)，對於所述第一加熱模式而言，所述第一電阻加熱裝置(12 ;118)和所述第二電阻加熱裝置(14 ; 132)串聯連接，而在所述第二加熱模式下，所述第一電阻加熱裝置(12 ; 118)和所述第二電阻加熱裝置(1 4 ；132)並聯電連接。
【文檔編號】H05B1/02GK103460792SQ201180069615
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2011年12月14日 優先權日:2011年1月28日
【發明者】H·塞勒, N·博岑邁爾, M·策恩, D·比特策克 申請人:韋巴斯託股份公司