用于调节加热器的方法和加热器与流程

1.本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于调节器具有至少一个加热元件的加热器的方法，所述至少一个加热元件具有与温度相关的电阻。本发明还涉及一种具有至少一个加热元件的加热器。


背景技术：

2.从现有技术中已知通用的电加热器。在那里，加热器包括具有与温度相关的电阻(即所谓的ptc热敏电阻器)的至少一个加热元件。例如，ep 2 075 452 a2公开了一种具有多个ptc热敏电阻器的电加热器，用于加热机动车辆中的燃料。ep 2 732 995 a1公开了一种具有多个ptc热敏电阻器的电加热器，用于加热机动车辆中的空气。
3.在那里，加热元件或ptc热敏电阻器在转变温度与居里温度之间具有正温度系数或ptc加热行为。直到转变温度以及从居里温度开始，加热元件或ptc热敏电阻器具有负温度系数或ntc加热行为。在那里，加热元件的调节在正温度系数的一部分范围内进行。在此过程中，加热元件或ptc热敏电阻器的当前温度被确定，并且加热元件或ptc热敏电阻器通过调整输入参数(例如电流和电压)达到所需的温度，从而达到所需的加热输出。
4.然而，仅从加热元件或ptc热敏电阻器的电阻不能安全地确定加热元件或ptc热敏电阻器的当前温度，因为在不同的温度下可能存在相同的电阻值。这些不同的温度一方面归属于ntc加热行为，另一方面归属于ptc加热行为，在此期间加热元件或ptc热敏电阻器的行为发生偏差。ptc加热行为与ntc加热行为之间的变化能够通过流体流量或环境温度的变化以不受控制的方式发生。为了独立于电阻来感测加热器的温度并能够安全地调节加热器，通常在加热器中安装温度传感器。不利的是，加热器的成本因此而增加。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是提供一种改进的或至少替代的用于调节具有至少一个加热元件的加热器的方法以及适当地改进的或至少替代的加热器。尤其是，所述缺点将通过该方法和加热器来克服。
6.根据本发明，该目的通过独立权利要求的主题来实现。有利实施例是从属权利要求的主题。
7.提供了一种用于调节具有至少一个加热元件的加热器的方法，所述至少一个加热元件具有与温度相关的电阻。在转变温度和电阻最小值处，所述至少一个加热元件表现出ntc加热行为与ptc加热行为之间的转变。在那里，所述至少一个加热元件在低于转变温度时表现出ntc加热行为，并在高于转变温度时表现出ptc加热行为。根据本发明，加热器的调节单元在检查中基于所述至少一个加热元件的电阻的时间分布确定所述至少一个加热元件的当前加热行为。根据所确定的当前加热行为，调节单元在确定步骤中确定至少一个加热元件的至少一个输入参数。所述至少一个输入参数优选是电流和/或电压。在调节步骤中，调节单元现在经由至少一个输入参数调节至少一个加热元件。
8.在ntc加热行为(ntc：负温度系数)期间，所述至少一个加热元件具有负温度系数，并且所述至少一个加热元件的电阻随着温度的升高而下降。在ptc加热行为(ptc：正温度系数)期间，所述至少一个加热元件具有正温度系数，并且所述至少一个加热元件的电阻随着温度的升高而增加。加热元件是ptc热敏电阻器并且尤其能够是陶瓷ptc热敏电阻器。在调节步骤中，由于调节单元调节至少一个加热元件上的至少一个参数，因此调节单元调节所述至少一个加热元件。在此，加热器的所述至少一个加热元件优选地经由输入参数电流和电压来进行调节。优选地，基于施加的pwm信号的占空比(pwm：脉冲宽度调制)将恒定的工作电压和可变的平均电流施加到所述至少一个加热元件。优选地，pwm信号的占空比因此在确定步骤中确定。由于pwm信号的占空比变化，将电流施加到所述至少一个加热元件的时间发生变化。换言之，施加的pwm信号的占空比的百分比确定了将电流施加到所述至少一个加热元件的时间的百分比。
9.与传统的调节方法不同，在根据本发明的方法中，当前加热行为是基于检查期间的电阻的时间分布来确定。一旦确定了当前加热行为，也能够从电阻安全地确定当前温度。有利地，不再需要通常用于确定至少一个加热元件的当前温度的温度传感器。通过这种方式，能够有利地降低加热器的成本。
10.有利地，在该方法中能够规定，调节单元在调节步骤中经由所述至少一个输入参数将当前表现出ptc加热行为的所述至少一个加热元件调节到所需的加热输出。换言之，在ptc加热行为期间专门调节所述至少一个加热元件上所需的加热输出。
11.有利地，在该方法中能够规定，调节单元在调节步骤中将当前表现出ptc加热行为的所述至少一个加热元件最大限度地调节至最大输出。在此，最大输出被定义在与阈值温度相关的阈值电阻处。阈值电阻能够有利地是最大加热输出与最佳温度之间的平衡值。阈值电阻取决于加热元件的行为，并且能够通过实验或理论来进行定义。与阈值电阻相关的阈值温度小于所述至少一个加热元件的居里温度并且大于所述至少一个加热元件的转变温度。换言之，所述至少一个加热元件的温度总是低于居里温度。因此，该方法中的所述至少一个加热元件永远不会达到居里温度，使得能够在低于居里温度的温度下实现过热保护。通过这种方式，大功率的加热元件能够在加热器中使用，而不管其居里温度如何。
12.有利地，在该方法中能够规定，调节单元在检查之后在保护步骤验证所述至少一个加热元件的状态。当所述至少一个加热元件的温度高于阈值温度并且在调节步骤不能降低温度时，调节单元中止调节并中断加热元件的能量供应。换言之，当所述至少一个加热元件的温度高于阈值温度并且减小电流的pwm信号的占空比不会使温度降低时，调节单元中止调节并中断加热元件的能量供应。通过这种方式，如上面已经解释过的，所述至少一个加热元件中的过热保护能够仅通过该方法来实现。因此，大功率的加热元件能够在加热器中使用，而不管其居里温度如何。有利地，能量供应的中断能够在定义时间间隔(例如30秒)之后再次开始。
13.有利地，在该方法中能够规定，调节单元在检查期间在建立步骤中检查所述至少一个加热元件的电阻的时间分布。在此过程中，调节单元搜索能够解释为所述至少一个加热元件中的ntc加热行为与ptc加热行为之间的转变的行为。当所搜索的行为存在时，调节单元在验证步骤中确定所述至少一个加热元件的当前加热行为。此后，调节单元在确定步骤中根据当前加热行为确定所述至少一个加热元件的所述至少一个输入参数。然而，当所
搜索的行为不存在时，不发生ntc加热行为与ptc加热行为之间的转变，并且加热元件仍然具有相同的(即先前检测的)加热行为。在这种情况下，调节单元进行到确定步骤并且在确定步骤中基于相同的(即先前检测的)加热行为来确定所述至少一个加热元件的所述至少一个输入参数。
14.当所述至少一个加热元件从ntc加热行为变成ptc加热行为或从ptc加热行为变成ntc加热行为时，所述至少一个加热元件的电阻下降到电阻最小值并随后升高。与此相关的电流变化能够由调节单元在建立步骤期间建立。另一方面，至少一个加热元件的电阻也能够因周围环境而下降和升高-例如通过流体流量的变化。因此，ptc加热行为的电阻在所述至少一个加热元件的环境加热期间以及在所述至少一个加热元件的环境冷却时的ntc加热行为期间增加。为了排除环境误差，调节单元在验证步骤中验证当前存在的加热行为，从而间接验证在建立步骤期间确定的行为是否实际上是转变。
15.有利地，在该方法中能够规定，调节单元在建立步骤期间在预定时间窗口内测量所述至少一个加热元件上的电流。然后，在当前测量的电流值高于所有先前测量的电流值时，调节单元在测量电流的同时增加计数器。当计数器超过预定义的计数器阈值时，调节单元将此确定成要解释为转变的行为。
16.为了确定当前加热行为或为了确保在所述至少一个加热元件上的转变，调节单元在验证步骤期间能够在预定时间间隔内将当前施加到所述至少一个加热元件的初始电流的pwm信号的占空比增加预定义值，并感测所述至少一个加热元件的电流变化。此外，调节单元在验证步骤期间能够在预定时间间隔内将当前施加到所述至少一个加热元件的初始电流的pwm信号的占空比减小预定义值，并感测至少一个加热元件的电流变化。初始电流的pwm信号的占空比的增加和减少能够有利地直接一个接一个地进行，其中顺序不是决定性的。优选地，调节单元将初始电流的pwm信号的占空比分别增加和减少10％。然而，其他值也是可以想到的。
17.基于根据所述至少一个加热元件的所感测的电流计算出的电阻变化，在验证步骤期间，调节单元此时能够确定当前加热行为。在此过程中，当电流的pwm信号的占空比增加，根据所感测的电流计算的电阻上升，以及电流的pwm信号的占空比减少，根据所感测的电流计算的电阻下降时，调节单元将当前加热行为确定为ptc加热行为。因此，当电流的pwm信号的占空比增加，根据所感测的电流计算的电阻下降，以及电流的pwm信号的占空比减少，根据所感测的电流计算的电阻上升时，调节单元在验证步骤期间将当前加热行为确定为ntc加热行为。然而，当电阻分别在pwm电流信号的占空比的增加和减少期间减小，并且分别在电流的pwm信号的占空比的增加和减少期间增加时，不能明确地确定电流加热行为。
18.当调节单元无法确定当前加热行为时，在该方法中能够规定，调节单元重复验证步骤。在重复验证步骤时，调节单元在预定时间间隔内将当前施加到所述至少一个加热元件的初始电流的pwm信号的占空比增加和减小一个预定义值。在先前执行的验证步骤期间，该值优选地高于预定义值。优选地，调节单元将初始电流的pwm信号的占空比分别增加和减少20％。然而，其他值也是可以想到的。在此，初始电流的pwm信号的占空比的增加和减少也能够直接一个接一个地进行，其中顺序不是决定性的。
19.有利地，在该方法中能够规定，调节单元在验证步骤期间通过斜坡确定来确定至少一个加热元件的电阻的升高和下降。有利地，调节单元在验证步骤期间能够确定所述至
少一个加热元件的电阻最小值。
20.本发明还涉及一种具有至少一个加热元件的加热器。在那里，所述至少一个加热元件具有与温度相关的电阻。所述至少一个加热元件在转变温度和电阻最小值处表现出ntc加热行为与ptc加热行为之间的转变。在那里，所述至少一个加热元件在低于转变温度时表现出ntc加热行为，并在高于转变温度时表现出ptc加热行为。此外，加热器包括设计用于执行上述方法的调节单元。有利地，加热器能够被提供用于电池电动车辆。
21.有利地，加热器能够结合在电气开关电路中，该电气开关电路然后包括用于向加热器供应电流和电压的能量源(例如电池驱动的机动车辆的牵引电池)并且包括加热器。有利地，加热器的调节单元则能够包括微控制器和用于中断开关电路的开关。在那里，微控制器能够在开关打开和闭合后生成宽度可变的方波信号，从而使开关电路中断或恢复。通过这种方式，能够改变流向所述至少一个加热元件的电流的pwm信号的占空比并且调节至少一个加热元件。在此，加热元件是ptc热敏电阻器并且尤其能够是陶瓷ptc热敏电阻器。此外，微控制器能够读出所述至少一个加热元件上的电流和/或电压。该信息能够用于将所述至少一个加热元件调节到所需的输出。此外，该信息能够用于计算所述至少一个加热元件的电阻。
22.为了避免重复，在此参考上面的解释。
23.本发明的其他重要特征和优点从从属权利要求、附图以及相关附图描述中获得。
24.应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，以上提到的并且仍将在下文中解释的特征不仅可以以所述的相应组合使用，还可以以其他组合或单独使用。
附图说明
25.在附图中示出了本发明的优选的实施例，并且在下面的说明中对其进行了详细说明，其中，相同的附图标记表示相同或相似或功能相同的组件。
26.分别示意性地示出了
27.图1示出了根据本发明的具有加热器的开关电路的视图。
28.图2示出了具有与温度相关的电阻的加热元件的温度-电阻行为曲线；
29.图3示出了根据本发明的用于调节根据本发明的加热器的方法的示意图；
30.图4示出了根据本发明的方法的建立步骤的图示；
31.图5示出了根据本发明的方法的验证步骤的图示。
具体实施方式
32.图1示出了根据本发明的加热器1和能量源2的视图，它们电互连成开关电路3。有利地，加热器1能够被提供用于电池电动车辆，并且能量源2是汽车的牵引电池。在此，加热器1包括具有与温度相关的电阻的加热元件4和具有开关6和微控制器7的调节单元5。在此，加热元件4是ptc热敏电阻器并且尤其能够是陶瓷ptc热敏电阻器。微控制器7生成方波信号(即宽度可变的pwm信号，即在开关6闭合和打开之后具有可变的占空比)。通过这种方式，加热元件4上的电流被改变并且加热元件4被调节到所需的加热输出。加热元件4上的电压不受开关6的直接影响并且是恒定的。微控制器7能够另外地读出加热元件4上的电流和/或电压。该信息能够用于将加热元件4调节到所需的输出并计算加热元件4的电阻r。
33.图2示出了加热元件4的温度-电阻行为曲线。加热元件4在低于转变温度时表现出ntc加热行为并且在高于转变温度时表现出ptc加热行为。转变温度对应于电阻最小值r_min。此外，定义了对应于阈值电阻r_th的阈值温度t_th。阈值温度t_th高于转变温度并且低于居里(curie)温度t_curie，在该阈值温度下加热元件4被物理破坏。
34.在此，调节单元5将加热元件4最大调节到位于阈值温度t_th和阈值电阻r_th处的最大输出。通过这种方式，在阈值温度t_th下而不是在居里温度t_curie下，实现了加热元件4的过热保护。因此，加热元件4的安全工作范围i低于阈值温度t_th和阈值电阻r_th，并且非安全工作范围ii高于阈值温度t_th和阈值电阻r_th。
35.在非安全工作范围ii中，能够附加地定义一个偏移范围ii-a，在该偏移范围内，加热元件4的温度和电阻能够在加热器1不过热的情况下短暂保持。相反，加热元件4的温度和电阻不得处于非安全工作范围ii的剩余工作范围ii-b中，因为很可能无法防止加热器1的过热。在极限温度t_g下将非安全工作范围ii划分为工作范围ii-a和ii-b，该极限温度t_g是根据具有偏移量的阈值温度t_th计算的。因此，对应的极限电阻r_g是根据具有偏移量的阈值电阻r_th计算的。
36.图3示出了根据本发明的用于调节根据本发明的加热器1的方法8的示意图。在那里，方法8在初始步骤9开始，例如，在该初始步骤，开启加热器1。在初始步骤9之后，调节单元5进行检查。
37.在检查期间，调节单元5在建立步骤12中检查加热元件4的电阻r的时间分布。在此，电阻r是根据在加热元件4上测量的电流和电压计算的。在那里，调节单元5确定能够解释为加热元件4中的ntc加热行为与ptc加热行为之间的转变的行为。当所搜索的行为存在时，调节单元5进行到验证步骤13，在该验证步骤中，调节单元5确定加热元件4的当前加热行为。在随后的确定步骤14中，调节单元5根据当前加热行为确定加热元件4的至少一个输入参数。当调节单元5搜索的行为不存在时，调节单元5在建立步骤12之后直接进行到确定步骤14。下面通过图4和图5更详细地解释确定步骤14和验证步骤13。
38.在建立步骤12中，调节单元5确定能够解释为ntc加热行为与ptc加热行为之间的转变的行为。参照图2，当加热元件4从ntc加热行为变成ptc加热行为或从ptc加热行为变成ntc加热行为时，加热元件4的电阻r下降到电阻最小值r_min并从电阻最小值r_min上升。在建立步骤12中，调节单元5能够确定这种行为，从而确定ntc加热行为与ptc加热行为之间的转变。下面通过图4对此进行更详细的解释。
39.图4在下图中示出了加热元件4上电阻r的时间分布，在上图中示出了计数器z的分布，两者均基于加热元件4上测量的电流值。在那里，加热元件4最初被加热并且从ntc加热行为进入到ptc加热行为。在此过程中，电阻r在转变前下降，在转变后再次上升。此后，加热元件4被冷却并且从ptc加热行为进入到ntc加热行为。该过程中的电阻r在转变前下降，在转变后再次增加。在此，调节单元5在建立步骤12中测量预定时间窗口t_1内的加热元件4的电流。在测量电流的同时，在当前测量的电流值高于之前测量的所有电流值时，调节单元5增加计数器z。参照上图，当计数器z超过计数器阈值z_max时，调节单元5建立类似于转变的行为。
40.然而，所述至少一个加热元件4的电阻r例如通过流体流量的变化也能够根据周围环境并且在没有转变的情况下下降和上升。因此，电阻r在ptc加热行为中在加热元件4的环境加热期间上升，在ntc加热行为中在加热元件4的环境冷却期间上升。为了排除环境误差，调节单元4在验证步骤13中验证当前存在的加热行为。下面通过图5对此进行更详细的解释。
41.在随后的保护步骤10中，调节单元5验证加热元件4的状态。当加热元件4过热并且不能通过减小施加电流的pwm信号的占空比来降低温度时，调节单元5在例如30秒的定义时间间隔中在中断步骤11中止调节并中断加热元件4的能量供应。在保护步骤10中，也考虑了加热元件4的加热行为。尤其是，这能够防止在ntc加热行为期间由于错误地检测到过热而关闭加热元件4。当加热元件4在当前输入参数没有过热时或者当温度能够通过正常方式降低时，调节单元5在随后的调节步骤15中利用输入参数调节加热元件。在调节步骤15后，调节单元5再次进行到建立步骤12。
42.图5在上图中示出了用于加热元件4上的电流的pwm信号的占空比dc的时间分布。在下图中，示出了加热元件4上的电阻r的时间分布。电阻r是根据在加热元件4上测量的电流计算的。当在建立步骤12期间建立了与转变类似的行为时，在验证步骤13中，确定当前加热行为。参照上图，对于加热元件4上初始电流i_0的pwm信号的占空比dc分别在时间间隔t_2中减少和增加10％。初始电流i_0的pwm信号的占空比dc是在验证步骤13开始时当前施加到加热元件4的值。参照下图，加热元件4的电阻r也随着电流i_0的pwm信号的占空比dc的变化而变化。所提及的电阻r的变化是由调节单元5通过斜坡确定来评估的。
43.当电阻r在初始电流i_0的pwm信号的占空比dc减小期间下降并且在初始电流i_0的pwm信号的占空比dc增加期间上升时，调节单元5将当前加热行为确定为ptc加热行为。该行为对应于加热元件4上的电流行为，由此加热元件4上的电流在初始电流i_0的pwm信号的占空比dc减小期间上升并且在初始电流i_0的pwm信号的占空比dc增加期间下降。当电阻r在初始电流i_0的pwm信号的占空比dc减小期间上升并且在初始电流i_0的pwm信号的占空比dc增加期间下降时，调节单元将当前加热行为确定为ntc加热行为。该行为对应于加热元件4上的电流行为，由此加热元件4上的电流在初始电流i_0的pwm信号的占空比dc减小期间下降并且在初始电流i_0的pwm信号的占空比dc增加期间上升。如果不可能明确地确定加热行为，则调节单元能够重复验证步骤并且减小和增加初始电流i_0的pwm信号的占空比dc，例如分别增加或减少20％。
44.在图5中，电阻r在初始电流i_0的pwm信号的占空比dc减小期间下降，并且随初始电流i_0的pwm信号的占空比dc的增加而上升。因此，加热元件4表现出ptc加热行为。参照图3，此时在确定步骤14中根据确定的ptc加热行为确定加热元件4的至少一个输入参数。
45.方法8使基于加热元件4的电阻对加热器的安全调节成为可能。通过这种方式，不再需要成本高的温度传感器并且能够有利地降低加热器的成本。