Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
ELECTRIC DEVICE, IN PARTICULAR HEATER, AND DEVICE AND METHOD FOR ACTUATING AN ELECTRIC DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/140783
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electric device, comprising at least one heating resistor (11), at least one PWM actuator circuit (14, 32, 42) for actuating the at least one heating resistor (11), a measuring circuit (18, 21) configured to determine an average value of the current flowing through the heating resistors (11), and an evaluation circuit (24) for capturing a voltage applied to the at least one heating resistor (11), or a voltage value dependent therefrom, and the average value of the current flowing through the heating resistor (11) determined by the measuring circuit (21). The evaluation circuit is configured to determine a computing variable ((Z(t)) from the voltage, or voltage value, and the value determined by the measuring circuit (18, 21), and to assess the computing variable by means of a reference value (ZRef), and optionally compare the computing variable to a reference value (ZRef), in order to detect errors.

Inventors:
HECK, Rainer (Mörscher Str. 28, Durmersheim, 76448, DE)
Application Number:
EP2017/053505
Publication Date:
August 24, 2017
Filing Date:
February 16, 2017
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
DBK DAVID + BAADER GMBH (Nordring 26, Rülzheim, 76761, DE)
International Classes:
H05B1/02
Foreign References:
EP2768276A12014-08-20
US20150122899A12015-05-07
DE102008056757A12009-06-18
JP2009191842A2009-08-27
DE102013103433A12013-10-17
Attorney, Agent or Firm:
WINTER BRANDL FÜRNISS HÜBNER RÖSS KAISER POLTE - PARTNERSCHAFT MBB (Alois-Steinecker-Str. 22, Freising, 85354, DE)
Download PDF:
Claims:
Ansprüche

1 . Elektrische Vorrichtung, mit mindestens einem Heizwiderstand (1 1 ), mindestens einer PWM-Ansteuerschaltung (14, 32, 42) zur Ansteuerung des mindestens einem Heizwiderstands (1 1 ), einer Messschaltung (18, 21 ), die dazu ausgelegt ist, einen mittleren Wert des durch den mindestens einen Heizwiderstand (1 1 ) fließenden Stroms zu ermitteln, und einer Auswerteschaltung (24) zur Erfassung einer an den mindestens einen Heizwiderstand (1 1 ) angelegten Spannung oder eines hiervon abhängigen Spannungswerts und des durch die Messschaltung 21 ermittelten mittleren Werts des durch den mindestens einen Heizwiderstand (1 1 ) fließenden Stroms, wobei die

Auswerteschaltung dazu ausgelegt ist, aus der Spannung bzw. dem Spannungswert und dem von der Messschaltung (18, 21 ) ermittelten Wert eine Rechengröße (Z(t)) zu ermitteln und mit einem Referenzwert (ZRef) zu bewerten, optional zu vergleichen, um Fehler zu erkennen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , mit einem Widerstand (18), insbesondere einem Messwiderstand, der mit einer Leitung (20) verbunden ist, über die der oder die Ströme des mindestens einen Heizwiderstands (10, 30, 40) führbar sind, wobei die

Messschaltung (21 ) als Mittelwert-Strommessschaltung ausgelegt ist, die mit den beiden Anschlüssen des Widerstands (18) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die mindestens eine PWM- Ansteuerschaltung (14, 32, 42) dazu ausgelegt ist, eine niederfrequente Ansteuerung von unter 100 Hz, beispielsweise 33,3 Hz oder 66,6 Hz, oder eine hochfrequente Ansteuerung vorzugsweise oberhalb von 1 kHz, optional 3 kHz oder optional mehr als 3 kHz auszuführen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die

Auswerteschaltung (24) dazu ausgelegt ist, die Rechengröße (Z) durch Division der an die Heizwiderstände angelegten Spannung oder des hiervon abhängigen

Spannungswerts durch die Summe der Heizströme zu ermitteln.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mindestens zwei, optional unabhängig voneinander steuerbare Heizwiderstände (10, 30, 40), und mindestens zwei PWM-Ansteuerungen (14, 32, 42) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die

Rechengröße (Z) gemäß der Gleichung

ermittelt wird, wobei gilt:

T = PWM-Periodendauer

v = PWM-Tastgrad

τ = LRHK / RRHK

n = Anzahl der Heizstränge

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Speicher, in dem mindestens eine Referenzkurve aus mehreren Referenzwerten gespeichert ist, die Wertebereiche für mehrere, während des Betriebs mögliche Einstellwerte umfasst, wobei vorzugsweise mehrere Referenzkurven für unterschiedliche, durch einen

Benutzer wählbare Einstellbedingungen gespeichert sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dazu ausgelegt ist bei Erniedrigung einer Heizleistungsanforderung eine Auswertung für einen gewissen Zeitraum zu deaktivieren oder eine geänderte Referenzkurve auszuwählen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Leitung (20) die gemeinsam mit Ausgängen der PWM-Ansteuerungen (14, 32, 42) und der

Messschaltung verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Schalter (16) zur statischen Ein- und Ausschaltung des mindestens einen Heizwiderstands (1 1 ).

1 1 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die

Auswerteschaltung (24) als MikroController μθ ausgebildet ist.

12. Verwendung der elektrischen Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche als Heizer, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. 13. Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Vorrichtung, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , bei dem mindestens ein Heizwiderstand betrieben wird,

ein Mittelwert aus dem Heizstrom oder aus der Summe der gleichzeitig

auftretenden Heizströme gebildet wird,

eine an den mindestens einen Heizwiderstand angelegte Spannung oder ein hiervon abhängiger Spannungswert erfasst wird, und

eine Rechengröße aus dem Mittelwert und der Spannung gebildet und mit einem Referenzwert verglichen wird. 14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem mehrere Referenzkurven für mehrere

Referenzwerte in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen, beispielsweise gewählter Leistungswerte ermittelt und gespeichert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei der eine PWM-Ansteuerung von Heizwiderständen ausgeführt wird, die optional als PTC-Heizwiderstände ausgebildet werden.

Description:
Elektrische Vorrichtung, insbesondere Heizer, sowie Vorrichtung und Verfahren zur

Ansteuerung einer elektrischen Vorrichtung Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung wie beispielsweise einen Heizer, der optional für Kraftfahrzeuge oder für andere, zu beheizende Räume oder Objekte ausgelegt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Vorrichtung, z.B. einer elektrischen Schaltung, und eine Verwendung. Aus der DE 2013/103433 A1 ist eine elektrische Vorrichtung in Form eines Heizers bekannt, die eine elektronische Schaltung zur Ansteuerung des Heizers aufweist. Der Heizer kann beispielsweise ein oder mehrere Heizelemente in Form von PTC- Elementen (Positive Temperature Coefficient - Elementen) aufweisen, deren

elektrischer Widerstand mit ansteigender Temperatur zunimmt.

Wenn die elektrische Schaltung beispielsweise als Heizer ausgestaltet ist, kann eine Leistungsregelung vorgesehen sein, die mittels einer PWM-Ansteuerung (PWM = Puls- Weiten-Modulation) von einem oder mehreren Leistungsschaltern realisiert ist. Solche Leistungsschalter können beispielsweise Halbleiterschalter wie etwa

Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate), oder MOSFETs (Metalloxidsemiconductor- Feldeffekttransistoren) sein. Wenn ein solcher Leistungsschalter einen Fehler, wie etwa einen Kurzschluss, eine Durchlegierung oder eine Unterbrechung aufweisen sollte, können solche Fehlerfälle u.a. zur Überhitzung des betroffenen Leistungsschalters, beispielsweise bei Kurzschluss, oder zur Überhitzung von parallel geschalteten

Leistungsschaltern, beispielsweise bei Unterbrechung, führen. Dies sollte aus Gründen der funktionalen Sicherheit vermieden werden.

Eine Überhitzung von Heizkörpern, z.B. von Rohrheizkörpern, die zum Beispiel beim Trockenlauf eines normalerweise von einem Kühlmedium durchflossenen Heizers auftreten kann, führt als Folgefehler zur Überhitzung des gesamten Heizers und stellt somit eine potenzielle Brandgefahr für das System, z.B. ein Fahrzeug dar. Damit sind auch Gefährdungsszenarien möglich, die eine Gefahr für Leib und Leben enthalten. Deshalb ist es wünschenswert bzw. von der Norm ISO 26262 (Road vehicles - Functional safety) gefordert, dass eine Überhitzung der Heizkörper bzw. der Heizelemente rechtzeitig erkannt wird, damit der Heizer eine Sicherheitsabschaltung auslösen kann.

Eine Überhitzung kann z.B. durch Vorsehen eines zusätzlichen Temperaturfühlers erkannt werden, der eine Abschaltung bei zu hoher Temperatur triggern kann.

Allerdings fordert das Vorsehen eines solchen zusätzlichen Temperatursensors erhöhten Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Vorrichtung zu schaffen, die Funktionsfehler bei der Ansteuerung der elektrischen Vorrichtung, beispielsweise eines Heizers, in kompakter, räumlich und aufwandsmäßig nicht erhöhter Form erkennen kann.

Mit der Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe eine elektrische Vorrichtung, beispielsweise ein Heizer, gemäß dem Patentanspruch 1 bereitgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Weiterhin wird mit der Erfindung eine Verwendung einer solchen Vorrichtung

aufgezeigt. Ferner wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Schaltung oder Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch geschaffen.

Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine PWM- Ansteuerung zur Leistungssteuerung eines oder mehrerer Heizwiderstände eingesetzt. Diese PWM-Ansteuerung erlaubt eine präzise Steuerung der gewünschten

Heizleistung. Die Ansteuerfrequenz ist hierbei ein wählbarer Parameter.

Die Funktionalität, also die korrekte Funktion oder eventuelle Funktionsfehler des PWM- Schalters können während des Betriebs, z.B. des Heizbetriebs, bei einem, mehreren oder allen Ausführungsbeispielen der Erfindung überwacht werden. Dabei können eine Überhitzung, ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung des oder der PWM-Schalter, oder auch eine unerwünschte, statische Ansteuerung des PWM-Schalters erkannt werden. Die erfindungsgemäß eingesetzte Überwachung und Fehlererkennung, also die bei Ausführungsbeispielen der Erfindung realisierte und in den Zeichnungen dargestellte Diagnose-Schaltung, ist unabhängig von der jeweiligen Technologie des oder der verwendeten Schalter (z.B. MOSFET, IGBT, Relais, sonstige

Transistorschaltung) und somit universell in jeder Elektronik mit PWM-Regelung einsetzbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung erlauben es, bei mehreren Heizsträngen, die beispielsweise parallel geschaltet sein können, jedoch unabhängig voneinander steuerbar sind, separate Heizstrangstrommessungen entfallen zu lassen.

Durch die Erfassung und Auswertung der an die elektrische Schaltung, beispielsweise an den oder die Heizwiderstände, angelegten Spannung, und/oder des in den

Heizelementen fließenden Stroms oder einer damit zusammenhängenden Größe, ist es möglich, System- oder Schaltungsfehler von einer oder mehreren

Schaltungskomponenten, wie etwa in PWM-Schaltern, auftretende Störungen, zu erkennen, ohne dass zusätzliche, separate Komponenten wie etwa Temperaturfühler erforderlich sind. Hierdurch vereinfacht sich der Schaltungsaufbau bei hoher

Funktionszuverlässigkeit und Fehlererfassungsgenauigkeit deutlich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung erlauben z.B. eine Überhitzungserkennung von Rohrheizkörpern in einem Heizer z.B. mit hochfrequenter PWM-Ansteuerung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen elektrischen oder

elektronischen Vorrichtung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Vorrichtung in Form eines

Heizers, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, das ein oder mehrere, separat schaltbare Heizwiderstände aufweist. In Fig. 1 ist ein allgemeines Blockschaltbild einer elektrischen Vorrichtung 2 dargestellt, die durch eine Energieversorgung 1 mit Spannung und/oder Strom versorgbar ist und durch eine Auswertungs- und Kontrolleinrichtung 3 überwachbar und umschaltbar ist, beispielsweise einschaltbar, ausschaltbar oder auf höheres oder niedrigeres

Energieniveau schaltbar ist.

Die elektrische Vorrichtung 2 kann beispielsweise ein elektrisch betreibbarer Heizer, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, eine Maschine oder ein sonstiges Gerät sein. Die Auswertungs-/Kontrolleinrichtung 3 überwacht die elektrische Vorrichtung 2 auf

Fehlfunktionen und schaltet die Energieversorgung 1 bei Erfassung von Störungen um oder aus.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Vorrichtung 2 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die elektrische Vorrichtung 2 einen Heizer mit drei Heizwiderständen 10, 30, 40 auf. Die Anzahl von Heizwiderständen kann auch höher oder geringer sein, beispielsweise nur einen Heizwiderstand, oder auch zwei, vier, oder mehr als vier Heizwiderstände umfassen.

Ein Heizdraht eines Rohrheizkörpers (RHK) kann als Reihenschaltung von einem ohmschen Widerstand RRHK und einer Induktivität, bzw. Spule LRHK betrachtet werden, wobei RRHK optional ein PTC-Verhalten aufweist. D.h. der ohmsche Widerstand des RHK steigt mit zunehmender Temperatur und ist somit im Umkehrschluss ein Maß für die Temperatur. Durch Überwachung des ohmschen Widerstands während des Heizbetriebs kann somit die Temperatur des RHKs überwacht werden.

Der Heizwiderstand 10 weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand 1 1 und einer Induktivität 12 auf, die als separate

Komponente ausgebildet sein kann, aber in anderen Fällen betriebs- oder

schaltungsbedingt, z.B. aufgrund der wendeiförmigen Wicklung des Heizwiderstands 1 1 , als immanente Komponente, insbesondere bei höheren Spannungsfrequenzen, auftreten kann und dann in manchen Fällen auch unerwünscht sein kann. Antiparallel zu der Reihenschaltung aus Widerstand 1 1 und Induktivität 12 kann in manchen

Anwendungsfällen aus Sicherheitsgründen eine Diode 13 geschaltet sein, um Spannungsspitzen in negativer Richtung zu unterbinden oder zu verringern. Der Heizwiderstand 10 ist über seinen ohmschen Widerstand 1 1 mit einem Anschluss direkt an eine Spannungsversorgung über eine Leitung 8 angeschlossen, an der die

Heizspannung UHeiz anliegt.

Der andere Anschluss des Heizwiderstands 10 bzw. der Reihenschaltung aus ohmschen Widerstand 1 1 und, sofern vorhanden, Induktivität 12 ist über einen Schalter 15 und, optional, über einen weiteren Schalter 16 sowie einen Messwiderstand 18 mit Bezugspotential 19 verbunden. Der Schalter 15 ist beispielsweise als Transistorschalter ausgebildet, der als PWM-Schalter dient und durch eine PWM-Ansteuerung

(Ansteuerschaltung) 14 ein- und ausgeschaltet sowie pulsbreitenmoduliert gesteuert wird. Der weitere Schalter 16 dient als gemeinsamer Sicherheitsschalter für alle

Heizwiderstände 10, 30, 40 und kann ggf. auch entfallen. Im Ausführungsbeispiel wird er über eine statische Ansteuerung (Ansteuerungsschaltung) 17 stabil ein- oder ausgeschaltet.

Mit dem Messwiderstand 18 ist eine Messschaltung 21 verbunden, die eine Mittelwert- Strommessung aller drei Heizströme der Heizwiderstände 10, 30, 40 durchführt und mit den beiden Anschlüssen des Messwiderstands 18 verbunden ist, um den durch den Messwiderstand 18 fließenden Strom zu erfassen.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind, wie gezeigt, drei Heizwiderstände 10, 30, 40 vorgesehen. Die Heizwiderstände 30, 40 sind gleich wie der vorstehend detailliert beschriebene Heizwiderstand 10 aufgebaut und weisen somit ebenfalls jeweils einen ohmschen Widerstand und eine hiermit in Reihe geschaltete Induktivität, ggf. auch als Störung, auf. Die Heizwiderstände 30, 40 sind gleich wie der

Heizwiderstand 10 über einen eigenen PWM-Schalter 31 , 41 und eine eigene PWM- Ansteuerung 32 bzw. 42 (in der Abbildung gekennzeichnet mit PWM-Ansteuerung 2 bzw. PWM-Ansteuerung 3) mit einer gemeinsamen Leitung 20 verbunden, die die Ausgänge der PWM-Schalter 15, 31 , 41 gemeinsam mit dem Schalter 16 und über diesen mit dem Messwiderstand 18 verbindet. Damit ist eine einzige Messschaltung 21 für die Strommessung aller, oder jedenfalls einiger der Heizwiderstände 10, 30, 40 ausreichend, wodurch sich der Schaltungsaufwand weiter reduziert. Am Messwiderstand 18 tritt somit die Summe aller Heizströme durch die Heizwiderstände 10, 30, 40 auf (l_Heiz_Summe (t)).

Die Messschaltung 21 führt eine Strommessung aus der Summe der drei Heizströme der Heizwiderstände 10, 30, 40 über die Summenbildung der Heizströme am

Messwiderstand 18 durch und kann diese Strommessung in Form eines Mittelwerts mittein und ihr Ausgangssignal über eine Ausgangsleitung 22 an einen Eingang 23 einer Auswerteschaltung 24, beispielsweise in Form eines MikroControllers, abgeben. Der Eingang 23 stellt einen Analogeingang (Analog-Port 2) dar. Am Eingang 23 der Auswerteschaltung 24 liegt somit ein den gemittelten Summenheizstrom

repräsentierendes Spannungssignal U_Mess(l_Heiz_Summe_Mittel) an.

An einem weiteren Eingangsanschluss 25, der als analoger Eingangsanschluss (Analog-Port 1 ) ausgelegt sein kann, liegt ein die Versorgungsspannung (UHeiz) repräsentierendes Versorgungsspannungs-Messignal an, das den an der Leitung 8 auftretenden Versorgungs-Spannungswert der an den Eingängen der Heizwiderstände 10, 30, 40 angelegten Spannung repräsentiert. Für die Messung der Größe der Versorgungsspannung ist an der Leitung 8 eine Reihenschaltung aus zwei

Widerständen 26, 27 zwischen die Leitung 8 und das Bezugspotential 19 geschaltet, so dass am Abgriff zwischen der Reihenschaltung der Widerstände 26, 27 die

Versorgungsspannung der Heizwiderstände als Eingangsgröße für die

Auswerteschaltung 24 angelegt ist. Damit liegt am Eingang der Auswerteschaltung 25 sowohl ein die Versorgungsspannung repräsentierendes Eingangssignal als auch ein den gemessenen, gemittelten Strom repräsentierendes Eingangssignal (Eingang 23) an.

Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine elektrische Vorrichtung in Form eines elektrischen Heizers dargestellt, der zur Steuerung der Temperatur einer Komponente, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, im Haushaltsbereich, im industriellen Bereich oder dergleichen eingesetzt werden kann. Ausführungsbeispiele erlauben eine Überhitzungserkennung beispielsweise von Rohrheizkörpern in einem Heizer mit hochfrequenter PWM-Ansteuerung als ein

Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Erfindung erlaubt gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen somit eine Überhitzungserkennung von Rohrheizkörpern und kann somit die Brandgefahr beispielsweise in einem Fahrzeug vermindern, die durch eine nicht erkannte

Überhitzung von Rohrheizkörpern, z.B. bei Trockenlauf des Heizers, resultieren könnten.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung, beispielsweise gemäß den Figuren 1 und 2, kann das PTC-Verhalten von ohmschen Rohrheizkörperwiderständen ausgenutzt werden, wobei die Heizwiderstände hier aus einem PTC-Material gebildet sind, also PTC-Verhalten aufweisen. In diesem Fall ist der ohmsche Rohrheizkörperwiderstand RRHK eine Funktion von„θ", beispielsweise der Temperatur (RRHK = ί(θ)). RRHK(t) wird während des Heizbetriebs fortlaufend berechnet.

Bei niederfrequenter PWM-Ansteuerung, beispielsweise einer Frequenz fpwM = beispielsweise 33,3 Hz oder 66,6 Hz oder anderen vergleichbaren Werten ist die Beeinflussung der Kurvenform der Heizströme durch eine Induktivität der

Heizwiderstände, LRHK, vernachlässigbar. Jeder Heizstrang kann z.B. eine separate Strommessung für den Spitzenwert aufweisen, wobei eine Messung der Hochvolt- Spannung UHV, das heißt der an die Heizwiderstände angelegten Spannung, vorhanden ist. Bei dieser niederfrequenten Ansteuerung lässt sich der Rohrheizkörper-Widerstand RRHK aus den Messwerten in einfacher Weise ermitteln, da hier gilt: RRHK(t) = UHv(t) / lHeiz_Spitze(t).

Bei hochfrequenter PWM-Ansteuerung von Rohrheizkörpern ist der

Heizwiderstandswert schwieriger zu erfassen. Bei einer hochfrequenten Ansteuerung von beispielsweise 3 kHz oder mehr (fpwM = z.B. 3 kHz oder mehr), ist die

Beeinflussung der Kurvenform der Heizströme durch die Induktivität LRHK des oder der Heizwiderstände nicht vernachlässigbar. Bei mehreren Heizwiderständen kann eine Strommessung für den Mittelwert des Summenheizstroms vorhanden sein, wobei zusätzlich eine Messung der Hochvolt-Spannung UHV vorhanden sein kann.

Eine Berechnung von RRHK aus Messwerten muss einen komplizierten impliziten Zusammenhang berücksichtigen. Aus diesem Grund ist vorteilhafterweise eine optionale Rechengröße Z eingeführt: Z(t) = Ui-iv(t) / lHeiz_summe_Mittei(t). Diese

Rechengröße Z kann beispielsweise durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und die dort gezeigte Auswerteschaltung 24 ermittelt werden, an deren Eingängen die Heizspannung bzw. ein hiervon durch Spannungsteilung gewonnener abgeleiteter Wert einerseits und der Mittelwert der Heizstromsumme lHeiz_summe_Mittei(t) anliegen.

Die Rechengröße Z kann bei Ausführungsbeispielen durch die Formel

ermittelt werden.

Hierbei gilt:

T = PWM-Periodendauer

v = PWM-Tastgrad

τ = LRHK / RRHK

n = Anzahl der Heizstränge

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsauslegung und/oder die Einführung von Z lässt sich eine Überhitzungserkennung zuverlässig sicherstellen. Das Prinzip beruht hierbei darauf, dass Z maximal wird, wenn RRHK maximal wird. Der bei normalem Heizbetrieb mögliche auftretende maximale Rohrheizkörperwiderstand RRHK_max lässt sich messtechnisch ermitteln, wobei folgende Randbedingungen eingestellt werden können: PlHeiz— PlHeiz max

— Qmin

Eine Referenzkurve Z re f = f(RRHK_max, LRHK, T, V) lässt sich in einem Speicher der Auswerteschaltung, beispielsweise in einem EEPROM eines MikroControllers, abspeichern, wobei ein fortlaufender Vergleich von Ziviess(v) mit der Referenzkurve Zref(v) durchführbar ist. Als Fehlerbedingung kann hierbei Ziviess(v) < Z re f(v) eingestellt werden, wenn also der gemessene Wert unterhalb des Referenzwerts absinkt. Die Vorteile durch eine Überhitzungserkennung mittels einer solchen Referenzkurve liegen unter anderem darin, dass lediglich geringer schaltungstechnischer Aufwand benötigt wird und dass er bei allen PWM-Frequenzen funktioniert. Andere Ausführungsbeispiele können nicht nur eine Referenzkurve, sondern mehrere Referenzkurven als

Erweiterung aufweisen, bei denen abhängig von der gewünschten Heizleistung unterschiedliche Referenzkurven vorgegeben werden.

Die vorstehenden Ausführungen werden nachfolgend noch näher erläutert. Die Regelung der Heizleistung erfolgt bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen durch Pulsweitenmodulation (PWM) der Heizstrangströme. Bei niederfrequenter PWM- Ansteuerung (z.B. fpwM = 66,6 Hz) kann der Einfluss von LRHK vernachlässigt werden, und der Verlauf der Heizstrangströme ist in guter Näherung rechteckförmig.

Da für jeden Heizstrang eine Spitzenwertstrommessung vorhanden sein kann oder ist, kann der Widerstand RRHK in jedem Heizstrang einfach als Quotient aus gemessener HV-Spannung und gemessenem Spitzenstrom bestimmt werden.

(0

Bei hochfrequenter PWM-Ansteuerung (z.B. fpwM = 3 kHz oder höher) kann der Einfluss von LRHK nicht mehr vernachlässigt werden, und der Verlauf der Heizstrangströme ist nicht mehr rechteckförmig, sondern setzt sich aus Exponentialkurven zusammen. Erschwerend kommt hinzu, dass neben der Versorgungsspannungsmessung nur eine Mittel wertstrommessung für den Summenheizstrom vorhanden ist, siehe Fig. 2, da eine Spitzenwertstrommessung für jeden Heizstrang sehr aufwändig ist.

Im Folgenden wird deshalb die Rechengröße Z eingeführt, aus der man auf RRHK rückschließen kann.

Z(t) =

Hinweis: Z(t) hat die Dimension einer Impedanz, ist aber nicht die Impedanz des Rohrheizkörpers.

Im eingeschwungenen Zustand und unter der Annahme von idealen Schaltern und Dioden, an denen der Spannungsabfall 0 V ist, gilt für Z folgender Zusammenhang:

Mit den Kenngrößen:

T = PWM-Periodendauer

v = PWM-Tastgrad

T = LRHK / RRHK

n = Anzahl der Heizstränge

Man erkennt aus dieser Gleichung, dass zwischen Z und RRHK ein komplizierter impliziter Zusammenhang besteht. Folglich kann RRHK aus Z nur numerisch berechnet werden, was einen enormen Rechenaufwand für den MikroController bedeuten würde. Eine Überhitzungserkennung lässt sich aus dem aus den Messwerten von UHv(t) und lHeiz_summe_mittei(t) berechneten Z(t) als eine qualitative Aussage bzgl. RRHK ableiten, denn es gilt: Z wird maximal, wenn RRHK maximal wird.

Außerdem lässt sich der bei normalem Heizbetrieb mögliche RRHK_ max aUS Labormessungen ermitteln, aus dem schließlich ein Referenzwert (Schwellwert) RRHK_max_ref abgeleitet werden kann.

Daraus kann eine Fehlerbedingung für die Überhitzung abgeleitet werden:

Zitess (.RRHK* V ) > ZRef fäRHKjnax ref* v )

Zur Messung und Bestimmung von RRHK_max werden im Heizbetrieb die

Randbedingungen des schlechtesten Betriebsfalls eingestellt:

• Heizleistung: P Heiz soll— PHeiz max

• Durchfluss Kühlmedium: QMedium = QMedium_min

· Temperatur Kühlmedium: BMedium = eMedium_max

Vorgehensweise:

1 ) Messung des RRHK von jedem Heizstrang des Prüflings vor dem Heizbetrieb bei z.B. 25 °C Umgebungstemperatur (Temperatur, bei der die Fertigungstoleranz der RHKs spezifiziert ist) und Berechnung des daraus resultierenden

Parallelwiderstands RRHK_ p (25 °C).

2) Heizbetrieb mit Gleichstrom (keine PWM-Ansteuerung) bei obigen

Randbedingungen, damit LRHK keinen Einfluss hat. Die Heizleistung wird über das Netzteil (Hochspannungsnetzteil HV) geregelt.

3) Berechnung von RRHK_ P (eMedium_max) aus den Messwerten von UHV und

iHeiz Summe mittel . 4) Berechnung des Temperatur-Korrekturfaktors ce = RRHK_ P (OMedium_max) / RRHK_ p (25 °C).

5) Berechnung VOn RRHK_p_max(OMedium_max) = RRHK_p_max(25 °C) ce.

6) Berechnung VOn RRHK_max(9lVledium_max) = RRHK_p_max(9Medium_max) / Π.

7) Berechnung des zu verwendenden Diagnose Referenzwertes RRHK_max_ref =

RRHK_max(eMedium_max) CMess (CMess = Korrekturfaktor, der die heizerinternen

Messtoleranzen für U HV und I Heiz Summe mittel berücksichtigt).

Die Messtoleranzen zur Ermittlung von RRHK_ P bei 25 °C und bei 0Medium_max sind gleich groß.

Eine Implementierung der Überhitzungserkennung kann wie folgt erfolgen:

Die obige Fehlerbedingung erfordert einen Vergleich des aus den momentanen

Messwerten berechneten Z-Wertes mit einem Referenzwert. Dieser Referenzwert hängt vom PWM-Tastgrad v ab, der allerdings veränderlich ist.

Deshalb ist es sinnvoll, eine Referenzkurve ZRef(RRHK_max_ref, v) im EEPROM des μθ 24 abzuspeichern, wobei der Wertebereich von v alle Einstellwerte umfasst, die im Heizbetrieb möglich sind. Somit wird der Rechenaufwand des μθ 24 auf die Berechnung von Z aus den Messwerten von Ui-iv(t) und lHeiz_summe_mittei(t) und eine anschließende Vergleichsoperation mit dem entsprechenden Referenzwert begrenzt. Eine verfeinerte Implementierung stellt die Verwendung von mehreren Referenzkurven mit verschiedenen RRHK max ref dar, wobei jeder RRHK_ max ref sich auf einen bestimmten r Heiz soll bezieht (z.B. 25% P Heiz max, 50% P Heiz max, 1 00% PHeiz_max). Dies hat den Vorteil, dass man den Fehlerfall Überhitzung schneller erkennt.

In Abhängigkeit von der Heizleistungsanforderung wird dann die geeignetste Z- Referenzkurve ausgewählt. Bei einer Erniedrigung der Heizleistungsanforderung wird die Abkühlzeit der RHKs berücksichtigt. D.h. solange die RHKs noch nicht im thermisch eingeschwungenen Zustand sind, kann die Diagnose deaktiviert werden, oder es wird eine geeignete Übergangsfunktion von einer Z-Referenzkurve zur nächsten Z- Referenzkurve verwendet. Die Überhitzungserkennung mit Hilfe der Z-Berechnung erfordert nur einen geringen schaltungstechnischen Aufwand und funktioniert bei allen PWM-Frequenzen.

Vorstehend sind einige Ausführungsbeispiele im Detail erläutert. Die Erfindung lässt sich auch bei anderen elektrischen Schaltungen oder Verbrauchern und nicht nur bei Heizern wie etwa Rohrheizkörpern einsetzen. Beispielsweise kann eine

Leistungssteuerung zur Steuerung des Leistungsniveaus eines Verbrauchers in der vorstehend geschriebenen Weise realisiert werden.

Bezuqszeichenliste

1 Energieversorgung

2 elektrische Vorrichtung

3 Auswertungs- / Kontrolleinrichtung

8 Leitung

10 Heizwiderstand

1 1 Widerstand

12 Induktivität

13 Diode

14 PWM-Ansteuerung

15 PWM-Schalter

16 Sicherheitsschalter

17 Ansteuerungsschaltung

18 Widerstand

19 Bezugspotential

20 Leitung

21 Messschaltung

22 Ausgangsleitung

23 Eingang

24 Auswerteschaltung

25 Eingangsanschluss

26 Widerstand

27 Widerstand

30 Heizwiderstand

31 PWM-Schalter

32 PWM-Ansteuerung

40 Heizwiderstand

41 PWM-Schalter

42 PWM-Ansteuerung