(57)【要約】      （修正有）【課題】電気推進装置を備えた自動車用の電気加熱装置の電力を、単純かつ安定的に、指定された要求電力に調整する。【解決手段】ＰＷＭベースの制御コンセプトであって、任意の非線形特性を有する加熱素子に使用できるコンセプトを使用する。この点において、制御対象の電力段に、サイクルフレーム内の作動時間が割り当てられ、不揮発性メモリの中のテーブルに格納される。【選択図】図３
2011207473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に電気推進装置を備えた自動車において流体を加熱する電気加熱装置であって、
１つまたは複数の加熱素子を有する電気加熱ステージ（３３０）と、
前記加熱ステージ（３３０）を流れる電流の変調によって加熱電力を小さいステップ間隔で調整する制御装置（２３０，３２０）と、
を備えている、電気加熱装置において、
割当てテーブル（５００）を格納する不揮発性メモリ（４１０）であって、前記割当てテーブル（５００）が、前記電気加熱ステージ（３３０）を作動させる時間長（５２０）を、複数の規定の電力段（５１０）の各電力段に割り当てる、前記不揮発性メモリ（４１０）と、
前記制御装置（２３０，３２０）が、前記電気加熱ステージ（３３０）の前記加熱電力を調整する目的で、前記電気加熱ステージ（３３０）を流れる前記電流を、指定されているサイクルフレームの中で、前記割当てテーブル（５００）において電力段（５１０）に割り当てられている前記時間長（５２０）だけ通電することと、
を特徴とする、電気加熱装置。
【請求項２】
前記割当てテーブル（５００）に格納されている前記時間長（５２０）と、前記第１の電気加熱ステージの、割り当てられている前記電力段（５１０）の電力値との間の関係が、非線形である、
請求項１に記載の電気加熱装置。
【請求項３】
前記時間長（５２０）が、前記割当てテーブル（５００）において、指定されている前記サイクルフレームの持続時間に対する割合であるマーク／スペース比として指定されている、
請求項１または請求項２に記載の電気加熱装置。
【請求項４】
それぞれが少なくとも１つの加熱素子を有する１つまたは複数のさらなる電気加熱ステージ（３３５）、
をさらに備えており、
前記さらなる電気加熱ステージ（３３５）それぞれの加熱電力が、０と最大電力との間でのみ切り替え可能であり、
前記加熱電力を、前記電気加熱ステージ（３３０，３３５）の前記制御装置（２３０，３２０）により、前記加熱ステージそれぞれを流れる電流によって個別に調整できる、
請求項１から請求項３のいずれかに記載の電気加熱装置。
【請求項５】
前記不揮発性メモリ（４１０）がプログラマブルな読み取り専用メモリ、好ましくはＥＥＰＲＯＭである、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の電気加熱装置。
【請求項６】
前記加熱装置を流れる全加熱電流（３６０）を測定する装置と、
測定された前記全加熱電流（３６０）と、前記自動車の車内電圧（３５０）とから、瞬間的な加熱電力を計算する計算装置（３１０）と、
をさらに備えており、
前記制御装置（２３０，３２０）によって調整される前記加熱電力が、前記瞬間的な加熱電力および設定値（３７０）に基づいて再調整される、
請求項１から請求項５のいずれかに記載の電気加熱装置。
【請求項７】
前記全加熱電流（３６０）を測定する前記装置がホールセンサ（４００）を備えている、
請求項６に記載の電気加熱装置。
【請求項８】
前記車内電圧（３５０）が、指定された固定値として格納されている、さらなる不揮発性メモリ（４１０）、
をさらに備えている、請求項６または請求項７に記載の電気加熱装置。
【請求項９】
前記さらなる不揮発性メモリ（４１０）が、プログラマブルな読み取り専用メモリ、好ましくはＥＥＰＲＯＭである、
請求項８に記載の電気加熱装置。
【請求項１０】
前記車内電圧（３５０）が、前記自動車の通信インタフェースを通じてメッセージとして前記加熱装置に送信される、
請求項６または請求項７に記載の電気加熱装置。
【請求項１１】
前記通信インタフェースが車載バスである、
請求項１０に記載の電気加熱装置。
【請求項１２】
前記車内電圧（３５０）が前記加熱装置において測定される、
請求項６または請求項７に記載の電気加熱装置。
【請求項１３】
前記設定値（３７０）からの、前記瞬間的な加熱電力の逸脱量を求めるための比較器（３１０）、
をさらに備えており、
前記再調整によって、前記設定値（３７０）からの、前記瞬間的な加熱電力の前記逸脱量が最小にされる、
請求項６から請求項１２のいずれかに記載の電気加熱装置。
【請求項１４】
前記加熱素子がＰＴＣ加熱素子である、
請求項１から請求項１３のいずれかに記載の電気加熱装置。
【請求項１５】
電気加熱装置を制御する方法であって、
前記電気加熱装置が、自動車において流体を加熱する１つまたは複数の加熱素子を有する電気加熱ステージ（３３０）、を備えており、加熱電力が、前記加熱ステージ（３３０）を流れる電流の変調によって、小さいステップ間隔で調整される、
方法において、
前記電気加熱ステージ（３３０）を流れる前記電流が、指定されているサイクルフレームの中で、指定された時間長（５２０）だけ通電され、
前記指定された時間長が、不揮発性メモリ（４１０）に格納されている複数の時間長（５２０）のうちの１つの時間長であり、
前記不揮発性メモリ（４１０）において、複数の規定の電力段（５１０）の各電力段に、前記電気加熱ステージ（３３０）を作動させる時間長が割り当てられている、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の電気加熱装置に関する。詳細には、本発明は、車室の暖房および空調のための十分な廃熱が駆動装置によって発生しない自動車に特に適する電気加熱装置、に関する。例えば、電気駆動車あるいはハイブリッド駆動車の場合である。
【背景技術】
【０００２】
このような加熱装置は、自動車の室内に必要な熱を提供するのみならず、自動車の個々のシステム部分において実行されるプロセスのための熱を利用可能にする、または、少なくとも、例えば車両の二次電池を予熱するための必要な熱を提供するうえで適したものでなければならない。
【０００３】
最新の技術として、いわゆる抵抗加熱素子またはＰＴＣ（正温度係数）加熱素子をこの目的に使用できることが知られている。これらは自己制御型であり、なぜなら、加熱が進むにつれて抵抗が大きくなり、同じ電圧に対して流れることのできる電流量が小さくなるためである。したがって、ＰＴＣ加熱素子の自己制御特性により、過熱が防止される。
【０００４】
したがって、ＰＴＣ加熱素子は、上記のタイプの車両（すなわち車室の空調あるいは暖房のための十分な廃熱が駆動装置によって発生しない車両）の車室を暖めるために特に使用されるラジエータにおいて、しばしば使用される。ハイブリッド車の場合、（例えば信号での停止時や渋滞時に）内燃エンジンが動作していないとき、ＰＴＣ加熱装置を補助ヒータとして使用することもできる。
【０００５】
車室内の空気は、ＰＴＣ抵抗加熱素子を利用して直接的に加熱される（温風ヒータ）、または、ラジエータ内を温水が流れる温水回路を介して間接的に加熱される（温水暖房）。いずれの場合も、流れる流体（すなわち液体媒体または気体媒体、好ましくは水または空気）が、加熱素子によって直接加熱される。
【０００６】
複数の加熱素子を備えた、自動車用の電気ＰＴＣヒータの例は、特許文献１から知られている。１つの加熱素子の加熱電力をＰＷＭ制御によって連続的に調整できるが、それ以外のすべての加熱素子については、完全に２値的にオン／オフを切り替えるのみである。
【０００７】
自動車の車載電源システムにおけるパワーリザーブ（power reserve）を最適に利用できるようにするためには、加熱電力が指定の電力にできる限り正確に補正されるように、電気加熱装置を制御することが望まれる。このことは、特に、電気推進装置を備えた車両にあてはまり、すなわち、車両の駆動エネルギと電気加熱のエネルギとが同じエネルギ源から供給され、したがって動作範囲と利用可能な加熱エネルギとの間に直接的な関係が存在する車両である。
【０００８】
ＰＷＭ（パルス幅変調）をベースとし、低い車内電圧（on-board electrical voltage）（例えば、約１２Ｖまたは約２４Ｖの自動車の低電圧範囲）で使用するための線形電力制御では、電気加熱が、要求される電力に比例するマーク／スペース比（デューティ比）によって制御される。例えば、加熱ステージの達成可能な最大電力の５０％を出力させるならば、その加熱ステージを５０％のデューティ比で動作させ、要求される電力が７０％であるならば７０％のデューティ比で動作させる。
【０００９】
ハイブリッド車あるいは電気自動車における車内電圧は５００Ｖにも達し、これは自動車の電圧としては高電圧範囲にある。数百ボルトの電圧範囲においては、マーク／スペース比はもはや電力に比例しない。例えば、４０％のマーク／スペース比において、加熱ステージの最大電力の８０％にすでに達することがある。したがって、上述した単純な制御は、さらなる方策なしでは自動車の高電圧範囲にそのまま適用することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】独国特許第１９８４５４０１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、特に、電気推進装置を有する自動車において流体を加熱する電気加熱装置であって、単純かつ安定的な方法で、加熱電力を、指定された要求電力に小さいステップ間隔で調整することのできる、電気加熱装置、および適切な調整方法、を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、請求項１の特徴を備えた電気加熱装置と、請求項１５の特徴を備えた方法とによって解決される。
【００１３】
本発明の第１の態様によると、特に、電気推進装置を有する自動車において流体を加熱する電気加熱装置、を提供する。本加熱装置は、１つまたは複数の加熱素子を有する電気加熱ステージを備えている。さらには、本加熱装置は、加熱ステージを流れる電流の変調によって、加熱電力を小さいステップ間隔で調整する制御装置、を備えている。本加熱装置は、割当てテーブルを格納する不揮発性メモリをさらに備えており、この格納テーブルは、電気加熱ステージを作動させる時間長を、複数の規定の電力段それぞれに割り当てる。電気加熱ステージの加熱電力を調整する目的で、制御装置は、電気加熱ステージを流れる電流を、指定されているサイクルフレームの中で、割当てテーブルにおいて電力段に割り当てられている時間長だけ、通電する。
【００１４】
本発明の第２の態様によると、電気加熱装置を制御する方法であって、電気加熱装置が、自動車において流体を加熱する１つまたは複数の加熱素子を有する電気加熱ステージ、を備えている、方法、を提供する。加熱電力は、加熱ステージを流れる電流の変調によって、小さいステップ間隔で調整される。電気加熱ステージを流れる電流は、指定されているサイクルフレームの中で、指定された時間長だけ通電される。指定された時間長とは、不揮発性メモリに格納されている複数の時間長のうちの１つの時間長である。不揮発性メモリには、複数の規定の電力段それぞれに、電気加熱ステージを作動させる時間長が割り当てられている。
【００１５】
本発明の具体的な方法は、特に自動車の高電圧範囲のための加熱装置に、割当てテーブルを格納する不揮発性メモリを設けることである。割当てテーブルによって、要求される加熱電力段と、それに対して割り当てられる、ＰＷＭのフレーム内での作動時間とを、小さいステップ間隔で定義することができる。割当てテーブルを使用することで、加熱素子の非線形な電力特性を、区間ごとに直線である折れ線（piecewise linear curve）によって近似的に表すことができる。使用する「点」が多いほど、より小さいステップ間隔で加熱電力が調整される。
【００１６】
本発明において、「小さいステップ間隔で」とは、複数のステップにおいて段階的に調整できることを意味し、この場合、ステップの数は、最初のステップにおける電力差が、加熱ステージの達成可能な合計電力と比較して小さくなるように選択する。
【００１７】
本発明による制御は、自動車の高電圧範囲におけるＰＴＣ加熱要素のように、発生する電力がマーク／スペース比に対して非線形的に増大する加熱素子に、特に適している。この場合、マーク／スペース比と電力との関係が単一の比例係数値によって与えられる単純な線形電力制御は、不可能である。したがって、好ましい実施形態によると、割当てテーブルを使用し、割当てテーブルにおいては、電力段の電力値と、対応する時間長との間の関係が非線形である。これにより、加熱素子の非線形性が、区間ごとに直線である折れ線として表現される。
【００１８】
割当てテーブルにおいては、複数の規定の電力段（公称定格電力）のそれぞれに、規定の公称車内電圧下で加熱素子を制御するための対応する時間長が割り当てられている。好ましい実施形態の例によると、第１の加熱ステージの全電力は、５００〜９９９Ｗの範囲内（例：７５０Ｗ）である。しかしながら、例えば１０００Ｗ以上も可能である。この実施形態の例においては、規定の電力段の数は、５〜９個の範囲（例：７または８個）である。実施形態によると、割当てテーブルには、指定されている固定のサイクルフレーム内で作動させる時間長が、時間の値（好ましくはミリ秒（ｍｓ）単位）として直接格納されている。代替実施形態においては、マーク／スペース比の時間長を、固定のサイクルフレームの持続時間に対する割合として表す。サイクルフレームとは、電流の通電状態および非通電状態の変更（電流のオン／オフの切り替え）を周期的に繰り返すための持続時間（期間）である。
【００１９】
好ましい実施形態によると、本電気加熱装置は、それぞれが少なくとも１つのヒータ素子を備えている１つまたは複数のさらなる電気加熱ステージ、をさらに備えている。これらのさらなる電気加熱ステージは、それぞれ、０と最大電力との間でのみ切り替えることのできる、いわゆる２値加熱ステージ（binary heating stage）であることが好ましい。各加熱素子の加熱電力は、加熱ステージの電流（加熱素子を流れる電流）を通じて、制御装置によって個別に調整することができる。このような制御コンセプトにより、２値加熱ステージを使用してより大きな電力段を制御する複合型の制御が達成される。小さい方の加熱ステージは、微調整のみを目的として小さいステップ間隔で（準連続的に）切り替えられる。このようにすることで、高電圧範囲において、加熱回路の単純な制御によって（例えばＰＷＭ信号によって）、例えばＥＭＣ（電磁環境適合性）エミッションあるいはワイヤバウンド干渉（wirebound interference）に起因して通常発生する重大な干渉が回避される。
【００２０】
この不揮発性メモリは、プログラマブルな読み取り専用メモリ、好ましくはＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）であることが好ましい。
【００２１】
高電圧範囲では、ＰＴＣの抵抗は、その時点の動作条件、特に、車内電圧および周囲温度に大きく依存する。したがって、自動車の高電圧範囲においてＰＴＣベースの装置の電力を制御するためには、変動する周囲温度および動作条件を考慮して、ＰＴＣ特性の非線形性を補正することも要求される。
【００２２】
したがって、本電気加熱装置は、加熱装置を流れる全加熱電流を測定する装置と、瞬間的な加熱電力を、測定された全加熱電流と自動車の車内電圧とから計算する計算装置と、を備えていることがさらに好ましい。この実施形態においては、制御装置によって調整される加熱電力が、瞬間的な加熱電力と設定値とに基づいて再調整される。割当てテーブルに格納されている、加熱電力を制御するためのパラメータの固定値は、当然ながら、動作条件および周囲条件の変動を考慮することができず、特に車内電圧、周囲温度、および流速のあらかじめ定義された公称条件に基づく値である。しかしながら、たとえ動作条件および周囲条件が変動し、加熱素子の特性が非線形であっても、再調整によって、指定された要求電力をできる限り正確に絶え間なく満たすことが可能である。
【００２３】
全加熱電流の測定用に、ホールセンサが設けられていることが好ましい。これにより、単純で費用効果が高く安定的な電流測定が確保される。これと比較して、自動車の高電圧範囲において分路を使用して電流を測定する方法では、大きな干渉が生じ、実用的な測定は不可能である。車内電圧が、自動車の高電圧範囲の数百ボルトである自動車の加熱装置の場合、ホールセンサが、低電圧範囲にある制御回路に直接組み込まれる。したがって、高電圧範囲で使用される電流測定値は、低電圧範囲における処理用にただちに利用可能である。さらには、低電圧の制御回路と、高電圧範囲にある負荷回路との間の所定の絶縁が維持されている。
【００２４】
好ましい実施形態によると、本加熱装置は、車内電圧が規定の固定値として格納されているさらなる不揮発性メモリ、を有する。この不揮発性メモリは、プログラマブルな読み取り専用メモリ、好ましくはＥＥＰＲＯＭであることがさらに好ましい。ＥＥＰＲＯＭには、ソフトウェアまたはファームウェアにおいて車内電圧が保存される。この不揮発性メモリは、割当てテーブルが格納されている不揮発性メモリに統合されていることが好ましい。しかしながら、割当てテーブル用と車内電圧用として個別の不揮発性メモリを設けることも可能である。
【００２５】
好ましい代替実施形態によると、車内電圧は、メッセージとして自動車の通信インタフェースを介して加熱装置に伝えられる。通信インタフェースは、車載バス（例えば、ＣＡＮ（コントローラエリアネットワーク）バスあるいはＬＩＮ（ローカル相互接続ネットワーク）バス）であることが好ましい。
【００２６】
さらなる好ましい代替実施形態によると、車内電圧は、加熱装置において直接測定される。この測定は、回路基板上で、すなわち高電圧側で行われることが好ましい。測定は、１回のみ、または所定の間隔で行うことができる。
【００２７】
好ましい実施形態によると、本加熱装置は、設定値からの瞬間的な加熱電力の逸脱量を求めるための比較器、をさらに備えている。再調整は、設定値からの瞬間的な加熱電力の逸脱量が最小であるように、この比較器をベースに行われる。
【００２８】
制御装置によるさらなる加熱ステージの切り替えを使用して、消費電力を設定値に補正できることが好ましい。
【００２９】
車内電圧は、自動車の高電圧範囲、特に、２００Ｖ〜５００Ｖの範囲内であることが好ましい。例えば、電気推進装置を備えた車両の場合、車内電圧は、通常では約３００Ｖ〜４００Ｖ（例３５０Ｖ）である。
【００３０】
好ましい実施形態によると、加熱素子は、ＰＴＣ（正温度係数）加熱素子である。
【００３１】
さらには、再調整は、好ましい実施形態によると、マイクロコントローラを備えている閉ループ制御装置を利用して実施される。この好ましい実施形態によると、閉ループ制御は、低電圧側のマイクロコントローラにおいて実現されている。
【００３２】
本発明のさらなる有利な実施形態は、従属請求項の主題である。
【００３３】
以下では、本発明について、添付の図面に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】自動車の高電圧範囲のための温風ヒータの例を示しており、電子部品を内蔵している。
【図２】電子部品を内蔵した高電圧温風ヒータの回路基板の概略的な構造を示しており、電子制御手段および電力スイッチが取り付けられている。
【図３】本発明の実施形態による電気加熱装置の概略的な基本構造を示している。
【図４】本発明の実施形態による電気加熱装置の構造のさらなる細部を示している。
【図５】本発明の実施形態による、第１の加熱ステージを制御するための割当てテーブルの例を示している。
【図６】ＰＷＭ／２値による複合型の小さいステップ間隔での電力制御／電力調整の例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明は、好ましくは温風ヒータまたは温水ヒータとして形成することのできる、自動車用の調整可能な電気ヒータに関する。
【００３６】
図１は、本発明による加熱装置１００の例の外側構造を示している。この図は、電子部品を内蔵した、自動車の高電圧範囲のための温風ヒータを一例として示している。個々の加熱素子は、図面の右側のハウジングフレームに組み込まれている。内蔵された電子制御手段は、左側の端子ボックスの中に位置している。
【００３７】
電子部品の外側構造の細部は、図２に示してある。図２は、サンドイッチ形状における電子手段のモジュール構造を示しており、さまざまなモジュールが回路基板２１０を介して相互に接続されている。さまざまなモジュールとは、特に、電子制御手段２２０および電力スイッチ２３０である。電子制御手段２２０は、本発明による開ループ制御および閉ループ制御のための構成要素を備えている。特に、本発明による制御装置の構成部品としての電力スイッチ２３０を使用して、加熱ステージの加熱素子を流れる制御下の電流のオン／オフを切り替えることによって加熱電力を直接調整する。加熱素子それぞれに電力スイッチが割り当てられている。例示的な実施形態による電子手段の構造のさらなる細部については、後から図４を参照しながら説明する。
【００３８】
図３は、本発明による加熱装置の概略構造の例を示している。図示した例では、加熱装置は４つの加熱ステージ１〜４を備えている。これら４つの加熱ステージは、第１の加熱ステージ３３０と、（図示した例においては３つの）さらなる加熱ステージ３３５とを備えている。本発明によると、第１の加熱ステージ３３０は、小さいステップ間隔で段階的に（準連続的に）制御することができる。他の加熱ステージ３３５は２値制御型の加熱ステージであり、これらの電力は、０と最大値との間で切り替えることができる。一連の電力スイッチ３２０は、加熱ステージの直接的な制御を提供する。これらの電力スイッチはそれぞれ加熱ステージの１つに割り当てられている。電力スイッチを制御するため、好ましい実施形態によるとマイクロコントローラとして実施されている電子制御手段３１０が採用されている。
【００３９】
この場合、加熱電力の最初の調整は、動作パラメータおよび周囲パラメータの公称条件を想定して、要求電力に従って行うことができる。製造業者によって設定される公称条件の例として、車内電圧が例えば３５０Ｖであり、温風ヒータの場合に空気温度が０℃であると想定する。さらに、公称条件は、規定の流速も含んでいる（例えば、空気の流速３００ｋｇ／時、または液体媒体の１０Ｌ／分）。指定された要求電力を公称条件下で満たすために必要な制御パラメータは、製造業者が設定する。この設定は、例えば、ＥＥＰＲＯＭ内のファームウェアまたはソフトウェアの形で行うことができる。
【００４０】
動作条件と、変化する周囲条件とに対する補正として、最初のステップで設定された電力（公称値）を、再調整によって正確な要求電力に合わせる。この目的のため、電子制御手段３１０に閉ループ制御装置が組み込まれており、これにより、制御装置によって設定された加熱電力を再調整するための閉ループ制御回路が形成される。あるいは、本発明の範囲内で、閉ループ制御装置を個別のハードウェアとして設けることも可能である。閉ループ制御装置は、再調整のため、車内電圧３５０の値と、加熱装置によって消費される電力の指定された設定値３７０と、全加熱電流３６０の測定値とを必要とする。全加熱電流は、電流の変調（例：ＰＷＭ）によって制御される加熱ステージの電流の値として、１つまたは複数のサイクルフレーム全体にわたり平均した値を含んでいる。この平均計算は、マイクロコントローラ内のソフトウェアによって行うことができる。
【００４１】
車内電圧３５０は、さまざまな方法で利用可能にすることができる。
【００４２】
好ましい実施形態によると、車内電圧は、固定値として例えばＥＥＰＲＯＭに格納することができる。この点において、車内電圧として、あらかじめ設定された公称値を使用する。このタイプの実施形態は、特に高い費用効果で実施することができる。しかしながら、欠点として、動作時に車内電圧と公称値との間の逸脱量が考慮されないため、加熱電力の瞬間的な実効値を正確に求めることができない。
【００４３】
これに代えて、車両における車内電圧３５０を、加熱装置の回路基板上で直接測定することができる。したがって、動作時に車内電圧が変化するたびに、現在の値を極めて迅速に提供できるため、上述した実施形態の欠点を排除することができる。しかしながら、この実施形態の欠点として、そのための電圧測定装置がヒータに設けられるため、コストが増大する。
【００４４】
さらなる代替形態として、自動車の車載ネットワークからメッセージとして車載バスを介して提供することが可能である。車内電圧３５０は、車両において絶え間なく取得され、車載電源システムを介して利用可能である。この実施形態は妥協的な形態であり、直接測定するよりも経済的であるが、変化が考慮されるまでに時間がかかる。この実施形態では、車内電圧３５０の更新値は２００〜３００ｍｓごとにのみ利用できる。
【００４５】
閉ループ制御装置３１０は、要求される加熱電力３７０を、例えば車両の車載ネットワークから車載バス（例えばＬＩＮバスまたはＣＡＮデータバス）を介して受け取る。これらの要求電力は、例えば、車載電源システムのその時点で利用可能なパワーリザーブができる限り完全に利用されるように、自動的に定義することができる。要求電力は、空調装置の操作パネルを介して運転者が指定することもできる。
【００４６】
あるいは、要求電力３７０の代わりに所望の温度を指定することも可能である。この温度は、例えば、車両の特定の部分の温度（例えば、室内の温度、あるいは流れる媒体の温度）である。要求温度２２０は、電子制御手段２２０によって要求電力３７０に変換される。
【００４７】
最初に、車内電圧３５０および全加熱電流３６０を利用して、消費電力（実効値）を求める。この目的のため、測定された電流３６０（必要であれば時間的に適切に平均した、例えば１つまたは複数のサイクルフレーム全体にわたり平均した電流）に、車内電圧を乗じる。全加熱電力の実効値は、次の等式によって与えられる。
Ｐ＝Ｕ×Ｉ
【００４８】
この等式によると、ある構成要素によって消費される電力Ｐ（この場合、加熱装置１００の加熱ステージの合計）は、構成要素に印加される電圧Ｕと、構成要素を流れる全電流Ｉの積に等しい。次いで、このようにして求めた加熱装置１００の瞬間的な全電力の実効値を、閉ループ制御装置に実施されている比較器によって、指定された要求電力（設定値）と比較する。この比較に基づいて、制御装置が起動し、加熱電力の設定を適切に調整することによって消費電力を補正する。好ましい実施形態においては、設定される新しい加熱電力（公称値）は、前の段階で設定された公称値に、設定値の逸脱量を加えた、または減じた値である。この補正は、まず最初に、準連続的な第１の加熱ステージ３３０を設定することによって行われる。さらに、加熱電力の補正調整において、さらなる２値加熱ステージ３３５のオン／オフを必要に応じて切り替えることができる。
【００４９】
このようにすることで、閉ループ制御回路における再調整において、加熱電力の規定の公称値が絶え間なく補正される。ここに説明したコンセプトによって、ヒータには、つねに設定値に近づくように電力の再調整が行われる。さらには、再調整を利用することで、時間とともに変化する要求電力を適切に定義することにより、車両内で利用可能な最大のパワーリザーブがつねに使用されるようにすることもできる。
【００５０】
図４は、本発明による制御可能な加熱装置の主たる要素を詳しく示している。図４に示した実施形態によると、この加熱装置は、自動車の高電圧範囲４２０の電源電圧を有する負荷回路と、低電圧範囲４３０の動作電圧を有する制御回路とを備えている。両方の範囲は、互いに電気的に確実に絶縁されていなければならない（基本絶縁）。特に、プリント基板４４０上の高電圧および低電圧は、互いに絶縁されている。電流の測定（加熱装置を流れる全電流の測定）は、この場合には特に単純な方式であり、電気絶縁に影響を及ぼすことなく、ホールセンサ４００を利用して電磁手段によって行われる（間接的な電流測定）。
【００５１】
マイクロコントローラ３１０は、測定値と、システム内で指定されている固定値（例えば、車内電圧、あるいはＰＷＭによる第１の加熱ステージの準連続的な電力制御のための割当てテーブル）とを処理する。ＥＥＰＲＯＭ  ４１０は、このタイプのシステムパラメータのための記憶装置として例示的に示したものである。この実施形態においては、加熱ステージ３３０，３３５（それぞれＰＴＣ加熱素子として表してある）それぞれに対する制御素子のグループ３２０は、個別に制御可能な電力スイッチを備えており、これら電力スイッチは、好ましくはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）電力スイッチとして具体化されている。高電圧範囲において動作するＩＧＢＴ電力スイッチは、ＩＧＢＴドライバによって制御され、ＩＧＢＴドライバは、低電圧側のマイクロコントローラ３１０から制御信号を受け取る。すべてのＩＧＢＴドライバおよびＩＧＢＴスイッチングトランジスタを有するスイッチグループ３２０は、共通のハウジングに収容されていることが好ましい。
【００５２】
以下では、本発明による例示的な開ループ制御および閉ループ制御のコンセプトについて、詳しく説明する。小さいステップ間隔で（準連続的に）制御可能な加熱ステージの電力を制御するための特殊な例示的な実施形態について、図５に示した割当てテーブル５００を参照しながら説明する。
【００５３】
制御は、主としてＰＷＭ（パルス幅変調）に基づく方法を使用して行われるが、特に、非線形電力特性を有する加熱素子（例えばＰＴＣ素子）の使用を容易にするために修正されている。図５の例において、最大電力７５０Ｗは、第１の加熱ステージをオンに切り替えたままにすることによって達成される（図６のステージ１（最大７５０Ｗ）を参照）。すなわち、制御の時間長は、サイクルフレームの長さ、言い換えれば１００％のマーク／スペース比（デューティ比）に等しい。あるいは、第１の加熱ステージをオフに切り替えた状態で、７５０Ｗの電力の第２の２値加熱ステージをオンに切り替えたままにすることによっても達成できる。この制御コンセプトについては、後から図６を参照しながらさらに説明する。ＥＥＰＲＯＭには、（図５の例においては、図６のステージ１のための）８つの電力段を有する個別のマップが格納されている。
【００５４】
従来のＰＷＭでは、要求される電力に比例するマーク／スペース比が使用される。例えば、要求電力が、加熱ステージの最大消費電力の５０％である場合、固定されたサイクルフレーム内で、５０％のマーク／スペース比による制御が行われる。このタイプの制御（要求電力に比例するマーク／スペース比）は、電力がマーク／スペース比に線形依存する場合に用いられる。しかしながら、自動車の高電圧範囲では、この関係は成立しない。約３５０Ｖで使用されるＰＴＣ加熱素子では、一般的な例として、公称条件下で４０％のマーク／スペース比によって公称電力の８０％がすでに達成される。しかしながら、マーク／スペース比と公称電力との間の関係は、例えば図５に示したような、まったく異なる非線形的な値をとることもある。
【００５５】
本発明に示す特殊な制御コンセプトでは、従来のＰＷＭとは異なり、個々の電力段と、サイクルフレーム内での対応する通電時間とを、加熱装置の電子制御手段の中に固定値として格納しておく。好ましい実施形態によると、この格納は、設定する電力と、そのために要求される通電持続時間とを指定する一対の値を複数含んだテーブル（割当てテーブル）の形で行われる。
【００５６】
図５は、このタイプの割当てテーブル５００の単純な例を示している。左側の列５１０には、制御可能な個々の電力段（公称条件に対応する公称電力）が固定値として格納されている。例示として示したテーブル５００から理解できるように、この例では、加熱ステージの（通電したままによる）最大消費電力は７５０Ｗである。加熱電力を１００Ｗ未満の小さいステップ間隔で（準連続的に）調整できるように、０〜７５０Ｗの範囲が８つの段に分割されている。
【００５７】
テーブル５００の右側の列５２０には、公称電力段それぞれに割り当てられている制御時間（単位：ミリ秒）が格納されている。加熱ステージの制御は、要求される電力に応じて、割り当てられている時間長だけ加熱ステージを作動させる、すなわち、その時点の車内電圧において電流の流れをオンに切り替えることによって、行われる。従来のＰＷＭと同様に、新しいサイクルフレームにおいても通電を繰り返す。指定されている固定のサイクルフレームの長さは、この例においては１７０ｍｓである。しかしながら、サイクルフレームの長さは、本発明において重要ではない。まったく異なるサイクルフレーム長さ（例えば、１５０ｍｓあるいは２００ｍｓ）、さらには大きさのオーダーがまったく異なるサイクルフレームも、可能である。
【００５８】
このようにすることで、割当てテーブルに格納される、要求される加熱電力と、サイクルフレームあたりの通電持続時間との間の関係を、必要に応じて決めることができる。したがって、特に、高電圧範囲におけるＰＴＣ加熱素子の非線形性を補正することができる。この目的のため、対応する通電時間を製造業者があらかじめ実験的に求めて、ＥＥＰＲＯＭ  ４１０に格納する。公称電力と、実験的に求めた対応する通電時間は、所定の公称条件、具体的には、規定の車内電圧（例：３５０Ｖ）と加熱素子付近の固定の周囲温度（例：０℃）とに対応する。このように値のテーブルがあらかじめ定義されているため、このタイプの制御では、変化する動作パラメータに対する補正は行われず、特に、温度補正は行われず、これにより、実際には最大で約３０％の公差につながる。準連続的な加熱ステージの電力段のこのような単純かつ安定的な制御におけるこの欠点は、この実施形態によると、上述したように設定値と実効値との比較に基づいて絶え間なく再調整することにより、良好な近似として補正される。なお、実際の動作では、実際の周囲条件および他の動作パラメータ（例えば、車内電圧および流速）についても、公称条件からの逸脱量が絶え間なく変化する。
【００５９】
自動車の高電圧範囲での車載電源システムにおける通常の電圧変動の大きさは、１００Ｖのオーダーである。電気自動車の公称電圧は、例えば３５０Ｖである。バッテリの充電後には車内電圧が約３８０Ｖまで上昇することがあり、放電時には約２８０Ｖまで降下しうる。車載電源システム上の公称電圧が異なる（例えば４００Ｖ）電気自動車も、対応する変動が発生する。ハイブリッド車の場合、公称電圧は約２８８Ｖであり、最大車内電圧が約３５０Ｖ、最小電圧が約２００Ｖである。
【００６０】
本発明による閉ループ制御は、印加される実際の加熱電力が監視されるため、１２Ｖの車載電源システムにおいても原則として使用することができる。しかしながら、１２Ｖの車載電源システムにおける電圧変動（例えば最大で１２．５Ｖ）は、加熱電力に与える影響はわずかである。本質的には、大きく影響するのは電流レベルである（自動車の高電圧範囲におけるよりも影響度が相当に高い）。さらに、自動車の高電圧範囲におけるＰＴＣ加熱素子に使用される材料（例えばチタン酸バリウムをベースとするセラミックに類似する材料）では、半導体効果が存在し、抵抗は温度に依存するのみならず電圧にも依存する。
【００６１】
したがって、制御装置による電力段の調整は、公称条件に対応する公称電力に基づいて行う。実際の加熱電力を電力設定値に近づける処理は、閉ループ制御回路における再調整を通じて行われる。この場合、実際の電力と電力設定値との間の、比較器によって求められる差が最小になるように、その差に従って公称電力のオン／オフを切り替える。
【００６２】
さらには、上述した制御コンセプトの範囲内で、より高い全加熱電力を小さいステップ間隔で制御することも可能である。この目的のため、図３および図４を参照しながら上述したように、小さいステップ間隔で制御可能な第１の加熱ステージと、さらなる２値加熱ステージとの組合せを使用する。
【００６３】
図６は、一例として、このような組合せを利用しての、０〜６０００Ｗの間の電力値の制御を示している。合計で４つの加熱ステージが設けられている。第１の（準連続的な）加熱ステージは、この例では、最大消費電力が７５０Ｗである。２値加熱ステージの消費電力は、第２の加熱ステージが７５０Ｗ、第３の加熱ステージが１５００Ｗ、第４の加熱ステージが３０００Ｗである。
【００６４】
０〜７５０Ｗの範囲内では、上述したような小さいステップ間隔での制御は、第１の加熱ステージのみを使用することによって可能である。それに続く７５０Ｗ〜１５００Ｗの範囲（同じく７５０Ｗの範囲）内では、第２の加熱ステージが２値的にオンに切り替えられるのに対して、第１の加熱ステージは、この範囲内では上記のコンセプトに従って細かい制御を提供する。それに続く７５０Ｗの範囲（１５００Ｗ〜２２５０Ｗ）では、同様にして、第３の加熱ステージがオンに切り替わり、第２の加熱ステージは再びオフに切り替わる。それに続く、２２５０Ｗ〜３０００Ｗの範囲では、第２および第３の２値加熱ステージが同時にオンに切り替わる。３０００Ｗからは、第４の加熱ステージがオンに切り替わったままとなり、３０００Ｗ以下の範囲について上述した方法と同様に、６０００Ｗまでの範囲全体の加熱電力を、合計で６４ステップ（段階的な折れ線における「点」に対応する）による小さいステップ間隔で制御することができる。ただし、ステップの数（この例では、７５０Ｗまでの１つの加熱ステージにおける８個、８×７５０Ｗ＝６０００Ｗをカバーする全範囲において８×８＝６４個）は、説明上の一例にすぎない。好ましくは５０以上のステップ、例えば５０〜１００のステップを使用する。しかしながら、１００以上のステップ、あるいはさらに多くのステップ数（例えば約２００ステップ）も可能である。使用するステップが多いほど、調整可能な加熱電力の調整単位が細かくなる。
【００６５】
このタイプの制御コンセプトでは、ＰＷＭの周期的処理（cycling）が要求されるのは、電力範囲が最も小さい第１の加熱ステージのみであり、より高い電力範囲においては単純な２値制御が行われる。ＰＷＭは、微調整の閉ループ制御において使用されるのみである。このようにすることで、ＥＭＣエミッションによる高電圧範囲における干渉の大部分が回避される。準連続的な加熱ステージの周期的処理の周波数は、ＥＭＣ／リプル電流に関してさらに最適化される。一般的には、ステップの調整単位が細かいほど、高電圧の車載電源システムにおける干渉も小さくなる。
【００６６】
要約すれば、本発明は、特に電気推進装置を備えた自動車の電気加熱装置に関する。本発明による加熱装置は、ＰＷＭベースの制御コンセプトであって、任意の非線形特性を有する加熱素子に使用できるコンセプトを使用する。この点において、制御対象の電力段に、サイクルフレーム内の作動時間が割り当てられ、不揮発性メモリの中のテーブルに格納される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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