DE102020207872B4

DE102020207872B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Heizung eines Katalysators

Info

Publication number: DE102020207872B4
Application number: DE102020207872.6A
Authority: DE
Inventors: Tino Arlt; Adrian-Val Harea
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2020-06-24
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2040-06-26
Also published as: WO2021259765A1; CN115885094A; KR20230003309A; DE102020207872A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizung (4) eines Katalysators (3), wobei die Heizung (4) über einen steuerbaren Schalter (13) mit einer eine Ausgangsspannung bereitstellenden Energiequelle (5) verbunden ist, welche Ausgangsspannung über einen von einem Minimalspannungswert zu einem Maximalspannungswert reichenden Spannungsbereich (II; IV) spezifiziert ist, aber auch Spannungen außerhalb dieses Spannungsbereichs (II; IV) annehmen kann, wobei eine Steuereinheit (6) die Ausgangsspannung erfasst und abhängig von einem Differenzwert der erfassten Ausgangsspannung zu einem vorgegebenen Referenzspannungswert den steuerbaren Schalter (13) öffnend oder schließend ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Referenzspannungswert dem Minimalspannungswert entspricht und bei einem Wert der Ausgangsspannung, der größer als der Minimalspannungswert ist, die Steuereinheit (6) den steuerbaren Schalter (13) pulsweitenmoduliert ansteuert, derart, dass die Leistung der elektrischen Heizung (4) der Leistung beim Minimalspannungswert entspricht, wobei das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals des steuerbaren Schalters (13) beim Minimalspannungswert der Energiequelle 100% beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Heizung eines Katalysators, wobei die Heizung über einen steuerbaren Schalter mit einer eine Ausgangsspannung bereitstellenden Energiequelle verbunden ist, welche Ausgangsspannung über einen von einem Minimalspannungswert zu einem Maximalspannungswert reichenden Spannungsbereich vorgegeben ist, aber auch Spannungen außerhalb dieses Spannungsbereichs annehmen kann, wobei eine Steuereinheit die Ausgangsspannung erfasst und abhängig von einem Differenzwert der erfassten Ausgangsspannung zu einem vorgegebenen Referenzspannungswert den steuerbaren Schalter öffnend oder schließend ansteuert.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der DE 196 45 016 C1 bekannt. Dort wird ausgeführt, dass für eine besonders geringe Emission von Schadstoffen es insbesondere bei einem Neustart einer Brennkraftmaschine notwendig sei, dass der Katalysator schnell auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Dazu soll beispielsweise eine elektrische Heizvorrichtung vorgesehen sein, die den Katalysator elektrisch aufheizt. Eine entsprechende elektrische Heizvorrichtung für einen Katalysator sei beispielsweise aus „Die Systementwicklung des elektrisch heizbaren Katalysators“, Erhard Otto et al., Motortechnische Zeitschrift 56 (1995) 9, Seite 488 ff bekannt. Die Stromversorgung des elektrisch beheizten Katalysators sei ein besonderes Problemfeld, da sie gravierende Rückwirkungen auf das Bordnetz und den Motorbetrieb hat.
Beim dortigen Verfahren wird beim Start der Beheizung des Katalysators die Spannung als Referenzspannung gemessen, wobei die Spannung während des Beheizens des Katalysators laufend als aktuelle Spannung ermittelt und mit der Referenzspannung verglichen wird. Das Beheizen des Katalysators wird abgebrochen, wenn die Differenz zwischen der Referenzspannung und der aktuellen Spannung größer als ein Differenzwert ist. Auf diese Weise wird aufgrund des Spannungsabfalles während des Beheizens die Güte der Spannungsquelle bestimmt und abhängig von der Güte das Beheizen abgebrochen oder weitergeführt.
Hierdurch wird allerdings nur das Problem bedient, dass die Energiequelle durch die Heizung nicht über Gebühr belastet wird.
Des Weiteren wird durch Dokument DE 10 2018 120 402 A1 ein Verfahren und Vorrichtungen zum Steuern eines elektrisch beheizten Katalysatorsystems eines Fahrzeugs offenbart, wobei abhängig von einer Leistungsanforderung bestimmt wird, ob ein Hochspannungsnetz oder ein Niederspannungsnetz zum Beheizen des Katalysatorsystems verwendet werden soll.
Ein elektrisch beheizter Katalysator wird hauptsächlich benutzt, um die Katalysatorerwärmung nach einem Motorkaltstart zu beschleunigen. Er kann auch verwendet werden, um einen während eines Fahrzyklus abgekühlten Katalysator wieder zu erwärmen. Derzeit sind elektrisch beheizte Katalysatoren ausgelegt, bei einer Nominalspannung einer Spannungsversorgung von beispielsweise 12 V oder 48 V zu arbeiten, wobei eine geforderte Heizleistung von beispielsweise 2,5 kW oder 4 kW üblich ist. Der elektrisch beheizte Katalysator wird üblicherweise so entworfen, dass er die geforderte Heizleistung bei der Nominalspannung erzielt. Abweichungen von diesen Nominalwerten werden häufig benutzt, um den Effekt und Vorteile eines elektrisch beheizten Katalysators während der Entwicklungsphase zu untersuchen.
Die Spannungsversorgung in Kraftfahrzeugen erfolgt zumeist mit Hilfe von Batterien mit Ausgangsspannungen von beispielsweise 12 oder 48 V, wobei dies lediglich die Nennspannungen sind, im Betrieb können jedoch erhebliche Abweichungen davon auftreten, da diese Batterien starken Belastungen aufgrund einer hohen Anzahl gleichzeitig zu betreibende Verbraucher unterliegen können. Außerdem können diese Batterien auf höhere Spannungen aufgeladen werden als ihrer Nennspannung entspricht. So ist beispielsweise der Betriebsspannungsbereich einer 12 V Batterie zwischen etwa 9 V und 14 V festgelegt, während dieser bei einer 48 V Batterie zwischen 36 V und 52 V definiert ist. D. h., dass die Batterien durch Zuschalten von Verbrauchern belastet werden dürfen, wenn ihre aktuelle Spannung innerhalb dieser Bereiche liegt.
Eine typische Anforderung ist nun, dass die vorgegebene Heizleistung von beispielsweise 4 kW des elektrisch beheizten Katalysators über den gesamten erlaubten Spannungsbereich von beispielsweise 36 V bis 52 V einer 48 V Batterie verfügbar sein soll. Der elektrisch beheizte Katalysator hat eine rein resistive Charakteristik. Dies bedeutet, dass die gewünschte Nominalheizleistung nur bei der Nominalspannung erzeugt wird. Ist die Spannung geringer, wird auch die Heizleistung geringer sein, was bedeutet, dass die Aufwärmphase des Katalysators deutlich verlängert ist. Bei einer höheren Batteriespannung als der Nominalspannung wäre entsprechend die Heizleistung größer, was ein Aufheizen des Katalysators beschleunigen würde. Dieser Zusammenhang ist in der 2 verdeutlicht, die die quadratische Abhängigkeit der Heizleistung von der Batteriespannung zeigt. Es ist zu erkennen, dass die tatsächliche Heizleistung innerhalb des erlaubten Spannungsbereichs erhebliche Abweichungen haben kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Heizung eines Katalysators anzugeben, bei denen eine konstante Heizleistung über den gesamten spezifizierten Ausgangsspannungsbereich eines Energiespeichers ermöglicht ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizung eines Katalysators gelöst, wobei die Heizung über einen steuerbaren Schalter mit einer eine Ausgangsspannung bereitstellenden Energiequelle verbunden ist, welche Ausgangsspannung über einen von einem Minimalspannungswert zu einem Maximalspannungswert reichenden Spannungsbereich spezifiziert ist, aber auch Spannungen außerhalb dieses Spannungsbereichs annehmen kann, und wobei eine Steuereinheit die Ausgangsspannung erfasst und abhängig von einem Differenzwert der erfassten Ausgangsspannung zu einem vorgegebenen Referenzspannungswert den steuerbaren Schalter öffnend oder schließend ansteuert, bei dem der vorgegebene Referenzspannungswert dem Minimalspannungswert entspricht und bei dem bei einem Wert der Ausgangsspannung, der größer als der Minimalspannungswert ist, die Steuereinheit den steuerbaren Schalter pulsweitenmoduliert ansteuert, derart, dass die Leistung der elektrischen Heizung der Leistung beim Minimalspannungswert entspricht, wobei das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals des steuerbaren Schalters beim Minimalspannungswert der Energiequelle 100% beträgt.
Die Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Heizung eines Katalysators, mit einem steuerbaren Schalter, der die Heizung mit einer eine Ausgangsspannung bereitstellenden Energiequelle verbindet, welche Ausgangsspannung über einen von einem Minimalspannungswert zu einem Maximalspannungswert reichenden Spannungsbereich vorgegeben ist, aber auch Spannungen außerhalb dieses Spannungsbereichs annehmen kann, und mit einer Steuereinheit, die eingerichtet ist, die Ausgangsspannung zu erfassen und abhängig von einem Differenzwert der erfassten Ausgangsspannung zu einem vorgegebenen Referenzspannungswert den steuerbaren Schalter öffnend oder schließend anzusteuern, gelöst, bei der der vorgegebene Ausgangsspannungswert dem Minimalspannungswert entspricht, und bei der die Steuereinheit außerdem eingerichtet ist, den steuerbaren Schalter bei einem Wert der Ausgangsspannung, der größer als der Minimalspannungswert ist, pulsweitenmoduliert anzusteuern, derart, dass die Leistung der elektrischen Heizung der Leistung beim Minimalspannungswert entspricht.
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren und eine Vorrichtung, um die Heizleistung des elektrisch beheizten Katalysators über einen erlaubten Spannungsbereich einer Spannungsversorgung zu stabilisieren. Zunächst wird die geforderte Heizleistung des elektrisch beheizten Katalysators nicht mehr bei der Nominalspannung, sondern bei der minimal zulässigen Spannung der Spannungsversorgung eingestellt und dann durch eine Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals für den Schalter, der die Heizung mit der Batterie verbindet, die Heizleistung bei höheren Spannungen geregelt. Das bedeutet, dass bei höheren Batteriespannungen ein geringeres Tastverhältnis des Ansteuersignals für den Schalter erforderlich ist, um die geforderte Heizleistung einzustellen. Dies ist in der 3 verdeutlicht. Dort ist ein zulässiger Spannungsbereich von 36 bis 52 V angegeben, wobei die nominale Heizleistung von 4 kW bei 36 V erzielt werden soll. Um diese Heizleistung von 4 kW über den gesamten Spannungsbereich zwischen 36 V und 52 V beizubehalten, wird die Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals für den Schalter, der die Batterie mit der Heizung des Katalysators verbindet von 100 % bei 36 V auf etwa 50 % bei 52 V reduziert.
Durch diese vorteilhafte Steuerung der Heizleistung kann eine konstante Heizleistung über den gesamten zulässigen Spannungsbereich erreicht werden. Sowohl langsame als auch schnelle Spannungsänderungen, welche durch die Batterietechnologie und das Spannungsnetz bzw. die daran angeschlossenen Verbraucher beeinflusst werden, können kompensiert werden. Außerdem ist die Katalysatoraufheizung in jedem Fahrzyklus gleich über den vorgegebenen Bereich der Batteriespannung.
In einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Schalter Bestandteil eines DC-DC-Wandlers sein, wobei der DC-DC-Wandler dann vorzugsweise als Abwärtswandler ausgebildet ist.
Das Verfahren und die Vorrichtung können sowohl für benzin- als auch für dieselbetriebene Verbrennungsmotoren verwendet werden. Dabei kann der Katalysator an jedem beliebigen Ort im Abgasstrang angebracht werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigen

1 eine prinzipielle Anordnung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine Darstellung der Spannungs- und Heizleistungsbereiche bei einer ungeregelten Heizungsteuerung und
3 eine Darstellung der Spannungs- und Heizleistungsbereiche bei einer erfindungsgemäß geregelten Heizungsteuerung.

1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, die einen Abgasstrang 2 aufweist, in dem ein Katalysator 3 verbaut ist. Der Katalysator 3 weist eine elektrische Heizvorrichtung 4 auf, die den Katalysator 3 auf eine vorgegebene Betriebstemperatur aufheizt. Die Heizvorrichtung 4 wird von einer Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie 5 oder einem Kondensator als Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt. Im Folgenden wird das Ausführungsbeispiel anhand einer Batterie 5 erläutert.
Die Batterie 5 ist mit einem Pluspol über eine erste Versorgungsleitung 11 an die Heizvorrichtung 4 angeschlossen. Der Minuspol ist über eine zweite Versorgungsleitung 12 und einen Schalter 13 ebenfalls mit der Heizvorrichtung 4 verbunden. Die Batterie kann eine Nennspannung von 12 V, also die Spannung einer herkömmlichen Fahrzeugbatterie, oder eine Nennspannung von 48 V haben. Bei einer Fahrzeugbatterie mit einer Nennspannung von 48 V ist ein zulässiger Spannungsbereich von 36 V bis 52 V spezifiziert.
Statt die Batterie 5 lediglich über eine Schalter 13 mit der Heizvorrichtung 4 zu verbinden, kann auch ein DC-DC-Wandler verwendet werden, der den Schalter 13 aufweist.
In einer einfachen Ausbildung weist die Heizvorrichtung 4 als Heizelement beispielsweise einen Widerstandsdraht auf. Es ist zudem ein Steuergerät 6 vorgesehen, das über einen Datenbus 8 mit der Brennkraftmaschine 1, über eine zweite Messleitung 9 mit der zweiten Versorgungsleitung 12, über eine erste Messleitung 10 mit der ersten Versorgungsleitung 11 und über eine Steuerleitung 7 mit dem ansteuerbaren Schalter 13 verbunden ist. Das Steuergerät 6 ist zudem über eine Sensorleitung 15 mit einem Temperatursensor 14 verbunden, der am Katalysator 3 angeordnet ist.
Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über einen Luftmassenmesser 18, der im Ansaugkanal angeordnet ist und die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse misst. Weiterhin verfügt die Brennkraftmaschine 1 über einen Kühler 16, der mit Kühlflüssigkeit gefüllt ist, die über Kühlkanäle, die in die Brennkraftmaschine eingebracht sind, die Brennkraftmaschine kühlt. Zudem ist ein Generator 19 an der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen, der von der Brennkraftmaschine angetrieben wird und über eine Ladeleitung 20 die Batterie 5 auflädt.
Das Steuergerät 6 steuert in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine 1, der Spannung der Batterie 5 und der Temperatur des Katalysators 3 die elektrische Heizvorrichtung 4, mit der der Katalysator 3 auf seine vorgegebene Betriebstemperatur aufgeheizt wird.
Eine Temperaturregelung des Katalysators 3 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Steuergerät 6 beim Start der Brennkraftmaschine 1 die Temperatur des Katalysators 3 misst. Danach vergleicht das Steuergerät 6 die gemessene Temperatur des Katalysators 3 mit einer im Speicher 17 abgelegten vorgegebenen Katalysatortemperatur. Die abgelegte Katalysatortemperatur entspricht vorzugsweise der optimalen Betriebstemperatur des Katalysators von beispielsweise 350°C. Ergibt der Vergleich, dass die gemessene Katalysatortemperatur größer oder gleich der abgelegten Katalysatortemperatur ist, so wird keine elektrische Beheizung des Katalysators vorgenommen, da der Katalysator 3 ausreichend warm ist. Anderenfalls wird der Schalter 13 geschlossen und die Heizvorrichtung 4 eingeschaltet, bis die Betriebstemperatur erreicht ist.
Die 2 zeigt die quadratische Abhängigkeit der Heizleistung von der angelegten Batteriespannung. Dabei weist im dargestellten Beispiel die Batteriespannung einen spezifizierten Ausgangsspannungsbereich II von 36 V bis 52 V auf. Dadurch ergibt sich aufgrund des Widerstands der Heizung ein Heizleistungsbereich I von 2,25 kW bis 4,69 kW. Bei der Nominalspannung von 48 V wird die gewünschte Heizleistung von 4 kW erreicht. Dies ist mit einem Punkt III dargestellt.
Einen Verlauf der Heizleistung und des Tastverhältnisses eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals für den Schalter 13 bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die 3. Der spezifizierte Ausgangsspannungsbereich IV der Batteriespannung liegt wieder zwischen 36 V und 52 V. Allerdings ist nun die gewünschte Heizleistung von 4 kW bereits bei der Minimalspannung dieses Ausgangsspannungsbereich IV erreicht, was mit V dargestellt ist. Danach wird die Heizleistung durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Schalters 13 der Heizanordnung gemäß 1 auf einen konstanten Wert von 4 kW geregelt. Hierzu muss das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals abhängig von dem ermittelten aktuellen Wert der Batteriespannung eingestellt werden. Die Abhängigkeit des Tastverhältnisses von der Batteriespannung ist mit einem Verlauf VII dargestellt. Wie in 3 zu erkennen ist liegt an dem Punkt der Minimalspannung des Ausgangsspannungsbereich IV das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation (PWM) bei 100% und nimmt mit steigender Batteriespannung derart ab, dass die Heizleistung konstant bei 4 kW gehalten wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizung (4) eines Katalysators (3), wobei die Heizung (4) über einen steuerbaren Schalter (13) mit einer eine Ausgangsspannung bereitstellenden Energiequelle (5) verbunden ist, welche Ausgangsspannung über einen von einem Minimalspannungswert zu einem Maximalspannungswert reichenden Spannungsbereich (II; IV) spezifiziert ist, aber auch Spannungen außerhalb dieses Spannungsbereichs (II; IV) annehmen kann, wobei eine Steuereinheit (6) die Ausgangsspannung erfasst und abhängig von einem Differenzwert der erfassten Ausgangsspannung zu einem vorgegebenen Referenzspannungswert den steuerbaren Schalter (13) öffnend oder schließend ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Referenzspannungswert dem Minimalspannungswert entspricht und bei einem Wert der Ausgangsspannung, der größer als der Minimalspannungswert ist, die Steuereinheit (6) den steuerbaren Schalter (13) pulsweitenmoduliert ansteuert, derart, dass die Leistung der elektrischen Heizung (4) der Leistung beim Minimalspannungswert entspricht, wobei das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals des steuerbaren Schalters (13) beim Minimalspannungswert der Energiequelle 100% beträgt.
Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Heizung (4) eines Katalysators (3), mit einem steuerbaren Schalter (13), der die Heizung (4) mit einer eine Ausgangsspannung bereitstellenden Energiequelle (5) verbindet, welche Ausgangsspannung über einen von einem Minimalspannungswert zu einem Maximalspannungswert reichenden Spannungsbereich (II; IV) vorgegeben ist, aber auch Spannungen außerhalb dieses Spannungsbereichs (II; IV) annehmen kann, mit einer Steuereinheit (6), die eingerichtet ist, die Ausgangsspannung zu erfassen und abhängig von einem Differenzwert der erfassten Ausgangsspannung zu einem vorgegebenen Referenzspannungswert den steuerbaren Schalter (13) öffnend oder schließend anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Referenzspannungswert dem Minimalspannungswert entspricht und, dass die Steuereinheit (6) außerdem eingerichtet ist, den steuerbaren Schalter (13) bei einem Wert der Ausgangsspannung, der größer als der Minimalspannungswert ist, pulsweitenmoduliert anzusteuern, derart, dass die Leistung der elektrischen Heizung (4) der Leistung beim Minimalspannungswert entspricht, wobei das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals des steuerbaren Schalters (13) beim Minimalspannungswert der Energiequelle 100% beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Schalter (13) Bestandteil eines DC-DC-Wandlers ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der DC-DC-Wandler ein Abwärtswandler ist.