EP4373699A1 - Batteriemanagement-verfahren und batteriemanagement-system für eine bordnetz-batterie eines hybrid-kraftfahrzeugs - Google Patents

Batteriemanagement-verfahren und batteriemanagement-system für eine bordnetz-batterie eines hybrid-kraftfahrzeugs

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EP4373699A1
EP4373699A1 EP22747708.0A EP22747708A EP4373699A1 EP 4373699 A1 EP4373699 A1 EP 4373699A1 EP 22747708 A EP22747708 A EP 22747708A EP 4373699 A1 EP4373699 A1 EP 4373699A1
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EP
European Patent Office
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battery
electrical system
combustion engine
internal combustion
catalytic converter
Prior art date
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Pending
Application number
EP22747708.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Senft
Giovanni Avolio
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Vitesco Technologies GmbH
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2006—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating
    • F01N3/2013—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using electric or magnetic heating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N9/00—Electrical control of exhaust gas treating apparatus
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    • F01N2590/11—Exhaust or silencing apparatus adapted to particular use, e.g. for military applications, airplanes, submarines for hybrid vehicles
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    • F01N2900/1626—Catalyst activation temperature

Definitions

  • the invention relates to a battery management method and a battery management device for battery management of an on-board battery of a hybrid motor vehicle with an internal combustion engine with an electrically heatable catalytic converter and at least one electric motor auxiliary drive.
  • the combustion engine is increasingly being combined with an electric machine to form a hybrid drive, whereby the electric machine, fed from an on-board battery, controls drive power in certain operating situations, which means that less power is required from the combustion engine and less exhaust gas is produced.
  • the electric machine can also be towed by the combustion engine or operated as a generator in recuperation mode and recharge the on-board battery.
  • combustion technology measures can be carried out, ie measures in which the internal combustion engine is operated in such a way that the waste heat in the exhaust gas itself can be used to quickly heat up the exhaust gas catalytic converter.
  • this generally leads to higher fuel consumption and can only shorten the period after a cold start of the internal combustion engine, in which the catalytic converter is not yet working and increased amounts of pollutants are emitted, but not eliminate it.
  • EHC Electrically heatable exhaust gas catalytic converters
  • E-KAT Electrically heatable exhaust gas catalytic converters
  • Such exhaust gas catalytic converters have their own electric heating device, which is fed, for example, from the electrical system of a motor vehicle equipped with the internal combustion engine, ie from the vehicle electrical system battery, and which can heat the exhaust gas catalytic converter to the desired operating temperature.
  • An advantage of an electrically heatable exhaust gas catalytic converter is that the exhaust gas catalytic converter can be brought to operating temperature in a so-called catalytic converter cold phase without the internal combustion engine being operated, ie for example before the internal combustion engine is started. This means that the pollutants are already converted when the combustion engine is started.
  • the electric heating device is implemented, for example, in the form of one or more electric heating disks through which the gas/exhaust gas can flow, which convert electrical power into heating cables and are arranged in the immediate vicinity of a catalytic converter substrate that is not itself heated.
  • an electric heating disc has a comparatively small volume and the inner surface of the heating disc itself also has a catalytic coating, this catalytic surface is heated up directly, ie on site and very quickly.
  • the state of charge of the electrical energy store from which the catalytic converter heating is fed e.g. B. an on-board battery of a hybrid vehicle, at any time and in particular when restarting the engine from a partially or completely cooled state, is sufficient to quickly heat the catalyst at least up to the light-off temperature.
  • the invention is therefore based on the object of driving a battery management process and providing a battery management system for an on-board battery of a hybrid motor vehicle that ensures the operational reliability of an electrically heatable catalytic converter of the exhaust gas aftertreatment device, in particular when or immediately before the start of the internal combustion engine guaranteed, so that it can be operated particularly quickly and efficiently and has improved conversion behavior, particularly in the starting phase of the internal combustion engine.
  • the battery management method according to the invention and the battery management system according to the invention result in a high level of operational reliability of the exhaust gas purification system, particularly whenever the internal combustion engine is restarted.
  • the state of charge of the vehicle electrical system battery, which feeds the electric heater of the catalytic converter is sufficient when the internal combustion engine is switched off to quickly bring the catalytic converter to at least the light-off temperature when the internal combustion engine is restarted, even after it has completely cooled down and the environmental conditions to be expected have been met to heat up.
  • the battery management method according to the invention is used for an on-board power supply battery of a hybrid motor vehicle with an internal combustion engine and at least one electric machine, the internal combustion engine having an exhaust gas aftertreatment device with at least one electrically heatable catalytic converter and at least one electric machine that operates in generator mode to charge the on-board power supply -Battery is operable has.
  • the battery state of charge is continuously monitored and kept at the required charge level by means of the electric machine, which reliably ensures that the catalytic converter is electrically heated to an activation temperature, fed from the vehicle electrical system battery, during a subsequent cold start of the internal combustion engine.
  • the required charge level of the vehicle electrical system battery is continuously determined during operation depending on the aging condition of both the catalytic converter and the vehicle electrical system battery and the temperatures of the vehicle electrical system battery and catalytic converter to be expected during the subsequent cold start.
  • vehicle electrical system battery is generally understood to mean an electrical, rechargeable energy store, for example an accumulator, which is connected to an electrical system or at least part of an electrical system of the hybrid vehicle and supplies energy for heating the electrically heatable catalytic converter via this vehicle electrical system.
  • the nominal charge capacity of the on-board battery is used as a further determining factor to determine the required charge level of the on-board battery.
  • the nominal charge capacity is understood to mean the maximum amount of energy that can be stored when the battery is fully charged when new, as specified by the manufacturer. The age-related change in the maximum charge capacity is then taken into account in connection with the current aging condition.
  • the electrical starting energy likely to be required for the subsequent cold start of the internal combustion engine can be taken into account or used as a further determining factor for determining the required charge level of the vehicle electrical system battery. As a result, it can be ensured, for example when the catalytic converter is heated before the internal combustion engine is started, that after the catalytic converter has been heated up, the vehicle electrical system battery still has sufficient energy to start the internal combustion engine using the electric machine.
  • the nominal charge capacity and the required electrical starting energy can also be used in combination to determine the required charge level of the vehicle electrical system battery, as a result of which the functional reliability of the battery management method is advantageously further increased.
  • a further embodiment of the battery management method is characterized in that the electric machine can be operated in addition to the generator mode in a recuperation mode to recover kinetic energy of the hybrid motor vehicle or in a drive mode to start the internal combustion engine or for supporting or sole drive of the hybrid motor vehicle is.
  • These operating variants are not mutually exclusive. Although the operating modes mentioned cannot be used simultaneously, they can be used alternately, depending on the operating or driving conditions of the hybrid vehicle. So, in case of sinking of the State of charge below the required charge level, the electric machine in generator mode, driven by the combustion engine, are operated in order to charge the on-board battery. Overrun or braking phases can also be used when operating the hybrid vehicle in order to feed electrical energy into the on-board battery in recuperation mode.
  • the electrical machine can also be fed from the on-board network battery in the manner of a so-called starter generator in order to start the internal combustion engine in drive mode.
  • the electric machine can also be fed from the on-board battery, for example in the acceleration phases of the hybrid vehicle, to provide additional torque or, for example, to be used in inner-city areas as the sole, locally emission-free drive.
  • the aging state of the catalytic converter can be determined continuously or at intervals during operation. This can be done, for example, on the basis of the operating hours of the internal combustion engine, for example using an operating hours counter. Alternatively or additionally, however, an average conversion rate can also be determined during operation and used to determine the aging state of the catalytic converter. Another option that can be considered as an alternative or in addition to the above options for determining the aging state of the catalytic converter is to determine an average heating-up time for the catalytic converter from a cold start to the activation temperature and derive the aging state from this.
  • the aging state of the vehicle electrical system battery can be determined continuously or at intervals during operation in a manner analogous to determining the aging state of the catalytic converter. This is done, for example, using measured values for battery current and/or battery voltage during charging and/or discharging and a temperature of the vehicle electrical system battery that is present when the measured values are recorded.
  • a numerical aging model of the on-board battery can also be used, for example installed in an electronic control unit and based on specific operating data of the on-board battery allows the aging status of the on-board battery to be calculated during operation. In this way, the aging condition of the onboard power supply battery can be determined very reliably and on this basis the required charge level can be determined with great accuracy.
  • a further advantageous embodiment of the method is characterized in that the temperature of the vehicle electrical system battery and catalytic converter to be expected during a cold start of the internal combustion engine, on the basis of which the required charge level of the vehicle electrical system battery is determined, is based on temperature values of the ambient temperature at the time the internal combustion engine was previously switched off he follows. It is assumed here that, due to the climate, generally no very large temperature fluctuations in the environment are to be expected over an average period of time between switching off the internal combustion engine and restarting it. In order to increase the reliability of the method despite this simple estimation of the temperatures to be expected, a temperature reduced by a predetermined amount, for example by 5° C. or 10° C., can be assumed for determining the required charge level of the vehicle electrical system battery.
  • the temperature of the vehicle electrical system battery and catalytic converter to be expected during a cold start of the internal combustion engine can be estimated on the basis of a temperature value profile of the ambient temperature over a period of time before the internal combustion engine was previously switched off.
  • an average temperature level or possibly also a range of fluctuation in the temperature curve for example over day and night temperatures, can be determined, on the basis of which a more reliable estimate of the temperatures to be expected when the internal combustion engine is restarted.
  • a safety correction of the temperature to a lower value can take place.
  • the temperatures of the vehicle electrical system battery and catalytic converter that are to be expected during a cold start of the internal combustion engine are determined on the basis of geographical data for the location of the hybrid motor vehicle and of expected temperature values assigned geographically and seasonally or by geographically assigned values Estimated temperature forecasts for the ambient temperature of the hybrid motor vehicle.
  • the respective location of the hybrid motor vehicle can be determined, for example, using a GPS system assigned to the vehicle.
  • the expected temperature values or temperature forecasts assigned geographically and seasonally can then be retrieved from corresponding databases via an Internet connection, for example. In this way, large-scale, temperature-relevant changes in the location of the hybrid motor vehicle can advantageously also be taken into account in the temperature estimation.
  • a battery management system for a vehicle electrical system battery of a hybrid motor vehicle with an internal combustion engine that has an exhaust gas aftertreatment device with at least one electrically heatable catalytic converter, and at least one electric machine that operates in generator mode for charging the vehicle electrical system battery can be operated.
  • the battery management system which is represented, for example, by a separate electronic control device or an electronic control device integrated into a central vehicle control unit, is set up to carry out the battery management method, according to one of the versions described above, and in terms of control technology is at least connected to the vehicle electrical system battery. connected to the electrical machine and the electrically heated catalytic converter.
  • a sequence program that is executed to control the method according to the invention is stored in a memory area of the electronic control device.
  • the state of charge of the vehicle electrical system battery which feeds the electric heating of the catalytic converter, is sufficient when the internal combustion engine is switched off to the catalytic converter, even after it has completely cooled down and the expected Ambient conditions to heat up quickly at least to the light-off temperature when restarting the internal combustion engine
  • An embodiment of the battery management system according to the invention is characterized in that it has an electronic processor module that is used to collect measurement data and information fed in, to carry out the arithmetic operations required for the battery management method, based on the measurement data and information collected and to output control signals resulting therefrom, in particular in accordance with a stored sequence program.
  • Another embodiment of the battery management system has a power module that is set up to control power flows between the vehicle electrical system battery, the electric machine and the electrically heatable catalytic converter, depending on the control signals from the aforementioned processor unit.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of a hybrid motor vehicle with an embodiment of a battery management system according to the invention
  • FIG. 2 shows an example of a flow chart of a battery management method according to the invention
  • FIG. 3 shows a diagram showing the dependency of the power output of an on-board battery on its aging condition
  • Fig. 4 is a diagram showing the dependency of the power output of a vehicle electrical system battery on its operating temperature
  • FIG. 5 shows a diagram showing the dependency of the power consumption of the heating of an electrically heatable catalytic converter until the light-off temperature is reached, on its aging state.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of a hybrid motor vehicle 10 with an internal combustion engine 20 and an electric machine 30 integrated in the drive train of the exhaust pipe 24 arranged, electrically heatable catalytic converter 22 and this downstream in the exhaust pipe 24 further exhaust gas aftertreatment component 23, for example a particulate filter.
  • a battery management system 50 according to the invention, which has a processor module 51 and a power module 52 , an on-board network battery 40 and a temperature sensor 56 , is arranged in the hybrid motor vehicle 10 .
  • the processor module 51 of the battery management system 50 has an electrical signal connection to the electric machine 30, the electrically heatable catalytic converter 22, the vehicle electrical system battery 40, the temperature sensor 56 and the power module 52 via signal connections 70 .
  • the power module 52 is in electrical power connection via power connections 60 to the electric machine 30 , the electrically heatable catalytic converter 22 and the vehicle electrical system battery 40 .
  • the signal connections 70 and power connections 60 shown here are also to be understood as schematic and do not provide any information about the actual number of connecting lines required between the individual components of the overall system for transmitting the required signal streams and power streams.
  • signals are transmitted from the vehicle electrical system battery 40 to the processor module 51, for example, which are representative of the state of charge of the vehicle electrical system battery 40 and can be used to determine the aging of the vehicle electrical system battery 40.
  • the processor module 51 From Electrically heatable catalyst 22 signals are transmitted to the processor module 51, which are representative, for example, of the current catalyst temperature and possibly also signals that provide information about the aging condition of the catalyst.
  • the temperature sensor 56 transmits signals to the processor module 51 which are representative of the ambient temperature. For example, signals can be transmitted between electric machine 30 and processor module 51 that provide information about the current operating conditions of electric machine 30 or that switch electric machine 30 to the various operating modes, generator mode, recuperation mode, or drive mode.
  • Signals are transmitted between the processor module 51 and the power module 52 to control the power flows between the electric machine 30, the electrically heatable catalytic converter 22 and the on-board battery 40.
  • the power module 52 is connected to the electric machine 30, the electrically heatable catalytic converter 22 and the on-board battery 40 via power connections 60 electrical power connection.
  • Such a configuration of the overall system makes it possible to continuously monitor the current charge level (SoC_curr) of the vehicle electrical system battery 40 and to keep it at a required charge level (SoC_req) by means of the electric machine 30, so that the vehicle electrical system battery 40 can heat up the electrical system Catalyst 22 to an activation temperature in the event of a subsequent cold start of internal combustion engine 20 is reliably ensured, with the required charge level (SoC_req) of vehicle electrical system battery 40 being determined continuously during operation as a function of the determined aging condition (SoH_Cat) of catalytic converter 22, the determined aging condition (SoH_Bat ) of the vehicle electrical system battery 40 and the ambient temperature (T_exp) of the vehicle electrical system battery 40 and catalytic converter 22 to be expected during the following cold start.
  • SoC_curr current charge level
  • SoC_req required charge level
  • FIG. 2 the sequence of an embodiment of the method according to the invention is shown schematically in a block diagram.
  • the block marked Use_Bat generally represents an operating mode of the hybrid motor vehicle called useful operation, Use_Bat, in which the vehicle electrical system battery 40 feeds energy into the vehicle electrical system for different electrical functions in the vehicle.
  • the following block marked SoC_curr symbolizes the continuous monitoring of the current charge level, SoC_curr.
  • SoC_req the required charge level
  • the required charge level, SoC_req is continuously determined during operation as a function of the aging condition, SoH_Cat, of the catalytic converter 22, the aging condition, SoH_Bat, of the vehicle electrical system battery 40, the ambient temperature to be expected during the following cold start, T_exp, of vehicle electrical system Battery 40 and catalytic converter 22, the nominal charge capacity, NCC_Bat, the vehicle electrical system battery and the electrical starting energy that is expected to be required for the following cold start of the internal combustion engine 20, StE_req, which is symbolized by the blocks marked accordingly, the blocks with the SoC_req, which determine the required Charge levels SoC_req symbolizes are directly related.
  • the block with SoC_curr ⁇ SoC_req symbolizes the continuous comparison of the current charge level SoC_curr of the vehicle electrical system battery 40 with the specific required charge level SoC_req. If the result of the comparison is that the current charge level SoC_curr is below the ascertained required charge level SoC_req, then the system is switched to a charging operating mode, Char_Bat, in which the vehicle electrical system battery 40 is charged. This charging operating mode, Char_Bat, is retained at least until the current charge level SoC_curr is again above the required charge level SoC_req. Once this has been achieved, the system is switched back to the useful operating mode, Use_Bat.
  • FIG. 3 shows a diagram to illustrate the dependency of the power that can be called up from a vehicle electrical system battery on its aging condition and its charge level.
  • the power that can be called up P, (vertical) is plotted against the charge level, SoC, (horizontal).
  • a power curve for a vehicle electrical system battery when new, P_nBat, and a power curve for a vehicle electrical system battery at the end of its specified service life, P_oBat, which is consistently below the power curve P_nBat, are entered.
  • a heating power, HP_req theoretically required for heating the catalytic converter is entered with a dashed horizontal line at 5 kW.
  • FIG. 4 shows a diagram to illustrate the dependency of the power that can be called up from a vehicle electrical system battery on the operating temperature.
  • the power that can be called up, P (vertical) is plotted against the charge level, SoC, (horizontal).
  • SoC charge level
  • a performance curve for an on-board battery at +10°C, P_+10°C, and a performance curve for an on-board battery at -10°C, P_-10°C, which are consistently below the performance curve P_+10°, are entered C lies.
  • a heating power, HP_req theoretically required for heating the catalytic converter is again entered with a dashed horizontal line at 5 kW.
  • FIG. 5 shows a diagram to clarify the dependency of the required charge level, SoC_req, of the vehicle electrical system battery for heating up the catalytic converter on the aging state of the catalytic converter.
  • the power that can be called up, P (vertical) is plotted against the charge level, SoC, (horizontal).
  • a power curve for a vehicle electrical system battery at -10°C, P_-10°C is entered. It has been shown that a new catalytic converter requires less heat output or less heating energy to heat up to the light-off temperature than an aged catalytic converter.
  • the heating output required for a new catalytic converter is HP_req_nC, determined with approx. 5 kW heat output and entered with a dashed horizontal line.
  • HP_req_oC the required heat output for a catalytic converter in an aged state
  • HP_req_oC the required heat output for a catalytic converter in an aged state
  • HP_req_oC the required heat output for a catalytic converter in an aged state
  • SoC charge level of the vehicle electrical system battery (state of charge)
  • SoC_req_nBat Required charge level for a new vehicle electrical system battery SoC_req_oBat Required charge level for an aged vehicle electrical system battery

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System für das Batteriemanagement einer Bordnetzbatterie (40) eines Hybrid-Kraftfahrzeugs (10), mit einem Verbrennungsmotor (20) und zumindest einer elektrischen Maschine (30), sowie einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (21) mit zumindest einem elektrisch beheizbaren Katalysator (22), wobei die elektrische Maschine (30) in einem Generatorbetrieb zum Laden der Bordnetz-Batterie (40) betreibbar ist. Das aktuelle Ladungsniveau (SOC_curr) der Bordnetz-Batterie (40) wird fortlaufend überwacht und mittels der elektrischen Maschine (30) auf einem erforderlichen Ladungsniveau (SOC_req) derart gehalten, dass ein aus der Bordnetz-Batterie (40) gespeistes elektrisches Aufheizen des Katalysators (22) auf eine Aktivierungstemperatur bei einem folgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors (20) sicher gewährleistet ist. Dabei wird das erforderliche Ladungsniveau (SOC_req) der Bordnetz-Batterie (40) fortlaufend im Betrieb, in Abhängigkeit von dem Alterungszustand (SOH_Kat, SOH_Bat) des Katalysators (22) und Bordnetz-Batterie (40) sowie der bei dem folgenden Kaltstart zu erwartenden Umgebungstemperatur (T_exp) bestimmt.

Description

Beschreibung
Batteriemanagement-Verfahren und Batteriemanagement-System für eine Bordnetz-Batterie eines Hybrid-Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Batteriemanagement-Verfahren und eine Batteriemanagement-Vorrichtung für das Batteriemanagement einer Bordnetz-Batterie eines Hybrid-Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor mit elektrisch beheizbarem Katalysator und zumindest einem elektromotorischen Zusatzantrieb.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften machen es bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor erforderlich, die Rohemissionen an Abgasen insgesamt und insbesondere der umweltschädlichen Komponenten des Abgases, verursacht durch die Verbrennung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in den Zylindern, so weit wie möglich zu reduzieren. Dazu wird der Verbrennungsmotor zum einen immer häufiger mit einer elektrischen Maschine zu einem Hybridantrieb kombiniert, wobei die elektrische Maschine in bestimmten Betriebssituationen, aus einer Bordnetz-Batterie gespeist, Antriebsleistung zusteuert wodurch vom Verbrennungsmotor weniger Leistung abgerufen und weniger Abgas produziert wird. Darüber hinaus kann die elektrische Maschine auch vom Verbrennungsmotor geschleppt oder in einem Rekuperationsbetrieb als Generator betrieben werden und die Bordnetz-Batterie wieder aufladen.
Zum anderen ist es Stand der Technik den Verbrennungsmotor mit einer Abgasnachbehandlungsanlage auszustatten, in der die umweltschädlichen Anteile des Abgases reduziert bzw. in unschädliche Bestandteile umgewandelt werden. Hierzu stehen unterschiedliche Ausführungen von Katalysatoreinheiten und Filtervorrichtungen bereit. In den Abgaskatalysatoren, findet dazu eine chemische Umwandlung von Verbrennungsschadstoffen durch Oxidation bzw. Reduktion des jeweiligen Schadstoffes statt. Dazu weisen die Abgaskatalysatoren aktive Katalysebereiche auf, in denen die chemische Umwandlung mittels katalytischer Reaktion stattfindet.
Diese Anlagen bzw. Komponenten und zugehörige Verfahren und Prozesse sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. Bekannt ist auch, dass der Wirkungsgrad der genannten Katalysatoren zum Teil in starkem Maße von der Betriebstemperatur abhängig ist. Die erforderliche Betriebstemperatur liegt zumeist in einem kraftstoff- und beschichtungsabhängigen Bereich beginnend bei circa 300 °C bis circa 600 °C. Meist ist eine Mindesttemperatur, die sogenannte Anspringtemperatur oder Light-Off-Temperatur erforderlich, um den Umwandlungsprozess in Gang zu setzen. Dies kann zu inakzeptablen zumindest jedoch ungewollten, erhöhten Schadstoff-Emissionen insbesondere im Betriebszeitraum unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors führen. Dies wirkt sich negativ auf den realen Gesamt-Schadstoffausstoß des Verbrennungsmotors unter realen Fahrbedingungen, den sogenannten „Real Driving Emissions“, die als Maßstab für den Schadstoffausstoß dienen, aus. Ein möglichst schnelles Aufheizen eines möglichst großen Katalysatorvolumens, zumindest bis zur Light-Off-Temperatur, ist deshalb anzustreben.
Es ist also notwendig, den Abgaskatalysator möglichst schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur aufzuheizen. Hierzu können einerseits verbrennungstech nische Maßnahmen durchgeführt werden, das heißt Maßnahmen, bei denen der Verbrennungsmotor derart betrieben wird, sodass die Abwärme im Abgas selbst zum schnellen Aufheizen des Abgaskatalysators genutzt werden kann. Dies führt jedoch in der Regel zu einem höheren Kraftstoffverbrauch und kann den Zeitraum nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, in dem der Katalysator noch nicht arbeitet und erhöhte Schadstoffmengen emittiert werden, lediglich verkürzen, nicht aber beseitigen.
Alternativ oder ergänzend dazu ist es auch bereits bekannt, elektrisch beheizbare Abgaskatalysatoren (EHC = Electrical Heated Catalyst oder E-KAT) einzusetzen. Derartige Abgaskatalysatoren weisen eine eigene elektrische Heizeinrichtung auf, die beispielsweise aus dem elektrischen Bordnetz eines mit dem Verbrennungsmotor ausgestatteten Kraftfahrzeugs, also aus der Bordnetz-Batterie gespeist wird und welche den Abgaskatalysator auf die gewünschte Betriebstemperatur aufheizen kann. Ein Vorteil eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators besteht darin, dass der Abgaskatalysator in einer sogenannten Katalysator-Kaltphase auch ohne Betrieb des Verbrennungsmotors, also beispielsweise bereits vor dem Start des Verbrennungsmotors, auf Betriebs temperatur gebracht werden kann. Damit werden die Schadstoffe bereits ab dem Startzeitpunkt des Verbrennungsmotors konvertiert. Bei einem elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator, ist die elektrische Heizeinrichtung beispielsweise in Form von einer oder mehreren elektrischen, vom Gas/Abgas durchström baren Heizscheiben realisiert, die elektrische Leistung in Heizleitung umsetzen und die in unmittelbarer Nähe zu einem selbst unbeheizten Katalysatorsubstrat angeordnet sind.
Da eine elektrische Heizscheibe ein vergleichsweise geringes Volumen aufweist und die innere Oberfläche der Heizscheibe selbst auch eine katalytische Beschichtung aufweist, wird diese katalytische Oberfläche unmittelbar, das heißt vor Ort und sehr schnell aufgeheizt.
Der Aufbau solcher elektrisch beheizbaren Abgaskatalysatoren ist beispielsweise in den Druckschriften DE 19943846 A1 und DE 4434673 A1 beschrieben.
Um die Funktionssicherheit, sprich das rechtzeitige und ausreichende Aufheizen des Katalysators in jeder Betriebssituation zu gewährleisten, ist es eine Voraussetzung, dass der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers, aus dem die Katalysatorheizung gespeist wird, z. B. eine Bordnetzbatterie eines Hybridfahrzeugs, zu jedem Zeitpunkt und insbesondere bei einem Neustart des Verbrennungsmotors aus einem teilweisen oder komplett abgekühlten Zustand, ausreichend ist, um den Katalysator schnell zumindest bis zur Anspringtemperatur aufzuheizen.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Batteriemanagement-Ver fahren und ein Batteriemanagement-System für eine Bordnetz-Batterie eines Hybrid- Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, das die Betriebssicherheit eines elektrisch beheizbaren Katalysators der Abgasnachbehandlungseinrichtung insbesondere beim oder unmittelbar vor dem Start des Verbrennungsmotors gewährleistet, so dass dieser besonders schnell effizient betrieben werden kann und ein verbessertes Konvertierungsverhalten insbesondere in der Startphase des Verbrennungsmotors aufweist.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen, auf ein Batteriemanagement-Verfahren gerichteten Verfahrensanspruchs sowie des unabhängigen, auf ein Batteriemanagement-System gerichteten Vorrichtungsanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche. Durch das erfindungsgemäße Batteriemanagement-Verfahren sowie das erfindungsgemäße Batteriemanagement-System ergibt sich eine hohe Betriebssicherheit der Abgasreinigungsanlage insbesondere bei jedem Neustart des Verbrennungsmotors. In vorteilhafter Weise wird sichergestellt, dass der Ladezustand der Bordnetzbatterie, die die elektrische Heizung des Katalysators speist, beim Abstellen des Verbrennungsmotors ausreichend ist, um den Katalysator, auch nach völliger Abkühlung und den zu erwartenden Umgebungsbedingungen, bei Neustart des Verbrennungsmotors schnell zumindest auf die Anspringtemperatur aufzuheizen.
Auf diese Weise wird immer ausreichend elektrische Energie zur Verfügung gestellt, um den elektrisch beheizten Katalysator (EHC) bereits vor dem Start der Verbrennungskraftmaschine soweit aufzuheizen, dass bereits beim Start der Verbrennungskraftmaschine eine hohe Umwandlungsrate der Schadstoffe sichergestellt ist.
Das erfindungsgemäße Batteriemanagement-Verfahren kommt zur Anwendung für eine Bordnetz-Batterie eines Hybrid- Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und zumindest einer elektrischen Maschine, wobei der Verbrennungsmotor eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit zumindest einem elektrisch beheizbaren Katalysator zumindest eine elektrische Maschine, die in einem Generatorbetrieb zum Laden der Bordnetz-Batterie betreibbar ist, aufweist. Dabei wird der Batterie-Ladezustand fortlaufend überwacht und mittels der elektrischen Maschine auf einem erforderlichen Ladungsniveau gehalten, das ein aus der Bordnetz-Batterie gespeistes elektrisches Aufheizen des Katalysators auf eine Aktivierungstemperatur bei einem folgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors sicher gewährleistet. Dabei wird das erforderliche Ladungsniveau der Bordnetz-Batterie fortlaufend im Betrieb bestimmt in Abhängigkeit von dem Alterungszustand sowohl des Katalysators als auch der Bordnetz-Batterie und den bei dem folgenden Kaltstart zu erwartenden Temperaturen von Bordnetz-Batterie und Katalysator.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die Leistungsaufnahme des elektrisch beheizbaren Katalysators als auch die Leistungskenngrößen der Bordnetzbatterie sich über deren Lebensdauer verändern und von weiteren Betriebsbedingungen, insbesondere der Temperatur, abhängig sind. Dies ist bei der Bestimmung des erforderlichen Ladungsniveaus zu berücksichtigen. Unter dem Begriff Bordnetzbatterie ist allgemein ein elektrischer, wiederaufladbarer Energiespeicher, beispielsweise ein Akkumulator, zu verstehen, der mit einem elektrischen Bordnetz oder zumindest einem Teil eines elektrischen Bordnetzes des Hybridfahrzeugs verbunden ist und über dieses Bordnetz Energie zum Heizen des elektrisch beheizbaren Katalysators liefert.
In einer Ausführung der Erfindung wird zur Bestimmung des erforderlichen Ladungsniveaus der Bordnetzbatterie als weiterer Bestimmungsfaktor die nominale Ladungskapazität der Bordnetzbatterie herangezogen. Dabei wird unter der nominalen Ladungskapazität, die vom Hersteller angegebene maximal speicherbare Energiemenge bei voll aufgeladener Batterie im Neuzustand verstanden. Die alterungsbedingte Änderung der maximalen Ladungskapazität wird dann in Verbindung mit dem aktuellen Alterungszustand berücksichtigt.
Als weiterer Bestimmungsfaktor zur Bestimmung des erforderlichen Ladungsniveaus der Bordnetzbatterie, kann die für den folgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors voraussichtlich erforderliche elektrische Startenergie berücksichtigt bzw. herangezogen werden. Dadurch kann, beispielsweise bei einer Aufheizung des Katalysators vor dem Start des Verbrennungsmotors, sichergestellt werden, dass nach dem Aufheizen des Katalysators, die Bordnetzbatterie noch ausreichend Energie aufweist, um den Verbrennungsmotor mittels der elektrischen Maschine zu starten.
Selbstverständliche können auch die nominale Ladungskapazität und die erforderliche elektrische Startenergie in Kombination zusätzlich zur Bestimmung des erforderlichen Ladungsniveaus der Bordnetzbatterie herangezogen werden, wodurch die Funktionssicherheit des Batteriemanagement-Verfahrens vorteilhaft weiter gesteigert wird.
Eine weitere Ausführung des Batteriemanagement-Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine neben dem Generatorbetrieb auch in einem Rekuperationsbetrieb zur Rückgewinnung von kinetischer Energie des Hybrid-Kraftfahrzeugs oder in einem Antriebsbetrieb zum Starten des Verbrennungsmotors oder zum unterstützenden oder alleinigen Antrieb des Hybrid-Kraftfahrzeugs betreibbar ist. Dabei schließen sich diese Betriebsvarianten nicht aus. Die genannten Betriebsarten können zwar nicht gleichzeitig, jedoch im Wechsel, je nach Bedarf der Betriebs- bzw. der Fahrbedingungen des Hybridfahrzeugs zur Anwendung kommen. So kann im Falle des Absinkens des Ladezustandes unter das erforderliche Ladungsniveau die elektrische Maschine im Generatorbetrieb, angetrieben durch den Verbrennungsmotor betrieben werden, um die Bordnetzbatterie aufzuladen. Ebenfalls können Schub- oder Bremsphasen beim Betrieb des Hybridfahrzeugs genutzt werden, um im Rekuperationsbetrieb elektrische Energie in die Bordnetzbatterie zu speisen. Des Weiteren kann die elektrische Maschine, nach Art eines sogenannten Starter-Generators auch aus der Bornetzbatterie gespeist werden, um im Antriebsbetrieb den Verbrennungsmotor zu starten. Darüber hinaus kann die elektrische Maschine auch, aus der Bordnetzbatterie gespeist, zum Beispiel in Beschleunigungsphasen des Hybridfahrzeugs zusätzliches Drehmoment liefern oder beispielsweise im Innenstadtbereich als alleiniger, lokal emissionsfreier Antrieb genutzt werden.
In einer Fortbildung des erfindungsgemäßen Batteriemanagement-Verfahrens kann der Alterungszustand des Katalysators fortlaufend oder in Intervallen im Betrieb bestimmt werden. Dies kann beispielsweise auf Basis der geleisteten Betriebs stunden des Verbrennungsmotors erfolgen, beispielsweise anhand eines Betriebs stundenzählers. Alternativ oder ergänzend kann jedoch auch eine mittlere Konver tierungsrate im Betrieb ermittelt und zum Bestimmen des Alterungszustandes des Katalysators herangezogen werden. Eine weitere Möglichkeit, die alternativ oder ergänzend zu den vorgenannten Möglichkeiten zur Bestimmung des Alterungs zustands des Katalysators in Betracht gezogen werden kann ist die Ermittlung einer mittleren Aufheizdauer des Katalysators bei Kaltstart bis zur Aktivierungstemperatur und die Ableitung des Alterungszustands daraus.
Dies ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung des Alterungszustandes des Katalysators aktuell im laufenden Betrieb und somit eine zuverlässige Ermittlung des erforderlichen Ladungsniveaus der Bordnetzbatterie.
Analog zur Ermittlung des Alterungszustands des Katalysators kann in einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Alterungszustand der Bordnetz-Batterie fortlaufend oder in Intervallen im Betrieb bestimmt werden. Dies erfolgt beispielsweise unter Heranziehung von Messwerten für Batteriestrom und/oder Batteriespannung beim Laden und/oder Entladen und einer bei Erfassung der Messwerte vorliegenden Temperatur der Bordnetz-Batterie. Jedoch kann auch wahlweise oder ergänzend dazu ein numerisches Alterungsmodell der Bordnetz-Batterie herangezogen werden, dass beispielsweise in einer elektronischen Steuerungseinheit installiert ist und auf Basis spezifischer Betriebsdaten der Bordnetzbatterie eine Berechnung des Alterungszustand der Bordnetzbatterie im Betrieb ermöglicht. Auf diese Weise kann der Alterungszustand der Bornetzbatterie sehr zuverlässig bestimmt und auf dieser Basis das erforderliche Ladungsniveau mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die bei Kaltstart des Verbrennungsmotors zu erwartende Temperatur von Bordnetz-Batterie und Katalysator, in deren Abhängigkeit das erforderliche Ladungsniveau der Bordnetzbatterie bestimmt wird, auf Basis von Temperaturwerten der Umgebungstemperatur zum Zeitpunkt des vorausgehenden Abschaltens des Verbrennungsmotors erfolgt. Dabei wird davon ausgegangen, dass klimabedingt, in der Regel keine sehr großen Temperaturschwankungen in der Umgebung zu erwarten sind über einen mittleren Zeitraum zwischen dem Abstellen des Verbrennungsmotors und dessen Wiederstart. Um die Sicherheit des Verfahrens trotz dieser einfachen Abschätzung der zu erwartenden Temperaturen zu erhöhen kann jeweils eine um einen vorbestimmten Betrag, beispielsweise um 5°C oder 10°C reduzierte Temperatur für die Bestimmung des erforderlichen Ladungsniveaus der Bordnetzbatterie angenommen werden.
Alternativ dazu kann die bei Kaltstart des Verbrennungsmotors zu erwartenden Temperatur von Bordnetz-Batterie und Katalysator auf Basis eines Temperaturwertverlaufs der Umgebungstemperatur über einen Zeitraum vor dem vorausgehenden Abschalten des Verbrennungsmotors abgeschätzt werden. Auf diese Weise kann ein mittleres Temperaturniveau oder ggf. auch eine Schwankungsbreite des Temperaturverlaufs, beispielsweise über Tages- und Nachttemperaturen ermittelt werden, auf deren Basis eine zuverlässigere Abschätzung der bei Wiederstart des Verbrennungsmotors zu erwartenden Temperaturen erfolgen. Auch in diesem Fall kann eine Sicherheitskorrektur der Temperatur auf einen niedrigeren Wert, wie vorausgehend genannt, erfolgen.
In beiden vorgenannten Fällen wird davon ausgegangen, dass sich über einen angenommenen Zeitraum des Abkühlens des Systems bei abgestelltem Verbrennungsmotor die Temperaturen von Katalysator und Bordnetzbatterie der Umgebungstemperatur angleichen.
Bei einer anderen Ausführung der Erfindung werden die bei Kaltstart des Verbrennungsmotors zu erwartenden Temperaturen von Bordnetz-Batterie und Katalysator auf Grundlage von geografischen Daten des Standortes des Hybrid-Kraftfahrzeugs und von geografisch und jahreszeitlich zugeordneten Temperatur-Erwartungswerten oder von geografisch zugeordneten Temperaturprognosen für die Umgebungstemperatur des Hybrid-Kraftfahrzeugs abgeschätzt. Dabei kann der jeweilige Standort des Hybrid-Kraftfahrzeugs beispielsweise über ein dem Fahrzeug zugeordnetes GPS-System ermittelt werden. Die geografisch und jahreszeitlich zugeordneten Temperatur-Erwartungswerte oder Temperaturprognosen können dann beispielsweise aktuell über eine Internet-Verbindung aus entsprechenden Datenbanken abgerufen werden. So können vorteilhaft auch weiträumige, temperaturrelevante Standortwechsel des Hybrid-Kraftfahrzeugs bei der Temperaturabschätzung berücksichtigt werden.
Die gestellte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein erfindungsgemäßes Batteriemanagement-System für eine Bordnetz-Batterie eines Hybrid- Kraft fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der eine Abgasnachbehandlungsein richtung mit zumindest einem elektrisch beheizbaren Katalysator aufweist, und zumindest einer elektrischen Maschine, die in einem Generatorbetrieb zum Laden der Bordnetz-Batterie betreibbar ist. Dabei ist das Batteriemanagement-System, das beispielsweise durch eine separate oder in eine zentrale Fahrzeug-Steuer ungseinheit integrierte elektronische Steuerungseinrichtung dargestellt wird, zur Durchführung des Batteriemanagement-Verfahrens, nach einer der vorausgehend beschriebenen Ausführungen, eingerichtet und steuerungstechnisch zumindest mit der Bordnetz-Batterie, der elektrischen Maschine und dem elektrisch beheizbaren Katalysator verbunden. Beispielsweise ist in einem Speicherbereich der elektronischen Steuerungseinrichtung ein Ablaufprogramm hinterlegt, das zur Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Batteriemanagement-System wird in Analogie zum erfindungsgemäßen Verfahren in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass der Ladezustand der Bordnetzbatterie, die die elektrische Heizung des Katalysators speist, beim Abstellen des Verbrennungsmotors ausreichend ist, um den Katalysator, auch nach völliger Abkühlung und den zu erwartenden Umgebungsbedingungen, bei Neustart des Verbrennungsmotors schnell zumindest auf die Anspringtemperatur aufzuheizen
Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Batteriemanagement-System ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein elektronisches Prozessormodul aufweist, das zur Erfassung von Messdaten und eingespeisten Informationen, zur Durchführung von für das Batteriemanagement-Verfahren erforderlichen Rechenoperationen, auf Grundlage der erfassten Messdaten und Informationen und zur Ausgabe von daraus resultierenden Steuersignalen, insbesondere gemäß einem hinterlegten Ablaufprogramm, eingerichtet ist.
Dies ermöglicht eine schnelle, aktuelle Erfassung aller relevanten Daten und Informationen und eine darauf basierende kontinuierliche Steuerung bzw. Regelung des Ladungsniveaus der Bordnetzbatterie.
Eine weitere Ausführung des Batteriemanagement-Systems weist ein Leistungs modul auf, das zur Steuerung von Leistungsströmen zwischen der Bordnetz-Bat- terie, der elektrischen Maschine und dem elektrisch beheizbaren Katalysator, in Abhängigkeit von den Steuersignalen der vorgenannten Prozessoreinheit, eingerichtet ist.
Dies ermöglicht eine systemtechnische und räumliche Trennung des Prozessor moduls, das naturgemäß mit vergleichsweise niedrigen elektrischen Strömen und Spannungen betrieben wird von dem Leistungsmodul, das mit vergleichsweise hohen elektrischen Spannungen und Strömen, beispielsweise zum Heizen des Katalysators und zum Laden der Bordnetzbatterie, arbeitet. So können gegen seitige elektrische und elektromagnetische Störeinflüsse zwischen Prozessormodul und Leistungsmodul auf einfache Weise vermieden werden.
Merkmale der dargestellten Ausführungsformen können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen oder nur alternativ anwendbar sind, einzeln oder in Kombination die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche ergänzen und diese weiterbilden.
Vorteile und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Batteriemanagement-Verfahrens bzw. des Batteriemanagement-System für eine Bordnetz-Batterie eines Hybrid- Kraftfahrzeug werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels bezugnehmend auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Hybrid-Kraftfahrzeugs mit einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Batteriemanagement-System;
Fig. 2 ein Beispiel eines Ablaufdiagramms eines erfindungsgemäßen Batteriemanagement-Verfahrens; Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Leistungsabgabe einer Bordnetz-Batterie von ihrem Alterungszustand;
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Leistungsabgabe einer Bordnetz-Batterie von ihrer Betriebstemperatur und
Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Leistungsaufnahme der Heizung eines elektrisch heizbaren Katalysators bis zum Erreichen der Anspringtemperatur, von seinem Alterungszustand.
Die Figur 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung ein Hybrid-Kraftfahr- zeug 10 mit einem Verbrennungsmotor 20 und einer im Antriebsstrang integrierten elektrischen Maschine 30. Am Verbrennungsmotor 20 angeschlossen ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 21, die ein an den Verbrennungsmotor 20 angeschlossenes Abgasrohr 24, einen im Verlauf des Abgasrohrs 24 angeordneten, elektrisch heizbaren Katalysator 22 und eine diesem im Abgasrohr 24 nachgeordnete weitere Abgasnachbehandlungskomponente 23, beispielsweise einen Partikelfilter, aufweist. Weiterhin ist ein erfindungsgemäßes Batteriemanagement-System 50, das ein Prozessormodul 51 und ein Leistungsmodul 52 aufweist, eine Bordnetz-Batterie 40 und ein Temperatursensor 56 in dem Hybrid-Kraftfahrzeug 10 angeordnet.
Über Signalverbindungen 70 steht das Prozessormodul 51 des Batteriemanage ment-Systems 50 mit der elektrischen Maschine 30, dem elektrisch heizbaren Katalysator 22, der Bordnetz-Batterie 40, dem Temperatursensor 56 und dem Leistungsmodul 52 in elektrischer Signalverbindung. Das Leistungsmodul 52 steht über Leistungsverbindungen 60 mit der elektrischen Maschine 30, dem elektrisch heizbaren Katalysator 22 und der Bordnetzbatterie 40 in elektrischer Leistungsverbindung. Auch die hier dargestellten Signalverbindungen 70 und Leistungsverbindungen 60 sind schematisch zu verstehen und geben keine Auskunft über die tatsächliche Anzahl der erforderlichen Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Komponenten des Gesamtsystems zur Übermittlung der erforderlichen Signalströme und Leistungsströme.
Über die Signalverbindungen 70 werden beispielsweise Signale von der Bordnetz-Batterie 40 an das Prozessormodul 51 übertragen, die repräsentativ sind für den Ladezustand der Bordnetz-Batterie 40 und die herangezogen werden können zur Ermittlung des Alterungszustandes der Bordnetz-Batterie 40. Vom elektrisch heizbaren Katalysator 22 werden Signale an das Prozessormodul 51 übertragen, die beispielsweise repräsentativ sind für die aktuelle Katalysatortemperatur und ggf. auch Signale, die Aufschluss geben über den Alterungszustand des Katalysators. Vom Temperatursensor 56 werden Signale an das Prozessormodul 51 übertragen, die repräsentativ sind für die Umgebungstemperatur. Zwischen der elektrischen Maschine 30 und dem Prozessormodul 51 können beispielsweise Signale übertragen werden, die Aufschluss geben über die aktuellen Betriebsbedingungen der elektrischen Maschine 30 oder die die elektrische Maschine 30 in die verschiedenen Betriebsmodi, Generatorbetrieb, Rekuperationsbetrieb oder Antriebsbetrieb schalten. Zwischen Prozessormodul 51 und Leistungsmodul 52 werden Signale übertragen, zur Steuerung der Leistungsströme zwischen elektrischer Maschine30, elektrisch heizbarem Katalysator 22 und Bordnetzbatterie 40. Dazu steht das Leistungsmodul 52 über Leistungsverbindungen 60 mit der elektrischen Maschine 30, dem elektrisch heizbaren Katalysator 22 und der Bordnetzbatterie 40 in elektrischer Leistungsverbindung.
Eine solche Konfiguration des Gesamtsystems ermöglicht es das aktuelle Ladungsniveau (SoC_curr) der Bordnetz-Batterie 40 fortlaufend zu überwachen und mittels der elektrischen Maschine 30 auf einem erforderlichen Ladungsniveau (SoC_req) zu halten, sodass ein aus der Bordnetz-Batterie 40 gespeistes elek trisches Aufheizen des Katalysators 22 auf eine Aktivierungstemperatur bei einem folgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors 20 sicher gewährleistet, wobei das erforderliche Ladungsniveau (SoC_req) der Bordnetz-Batterie 40 fortlaufend im Betrieb bestimmt wird in Abhängigkeit von dem ermittelten Alterungszustand (SoH_Cat) des Katalysators 22, dem ermittelten Alterungszustand (SoH_Bat) der Bordnetz-Batterie 40 und der bei dem folgenden Kaltstart zu erwartenden Umgebungstemperatur (T_exp) von Bordnetz-Batterie 40 und Katalysator 22.
In Fig. 2 ist der Ablauf einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einem Blockdiagramm dargestellt. Der mit Use_Bat gekenn zeichnete Block stellt allgemein einen als Nutzbetrieb, Use_Bat, benannten Betriebsmodus des Hybrid-Kraftfahrzeugs dar, in dem die Bordnetzbatterie 40 für unterschiedliche elektrische Funktionen im Fahrzeug Energie ins Bordnetz einspeist. Der darauffolgende, mit SoC_curr gekennzeichnete Block symbolisiert die fortlaufende Überwachung des aktuellen Ladungsniveaus, SoC_curr. Parallel dazu wird das erforderlichen Ladungsniveau, SoC_req, ermittelt, das ein aus der Bordnetz-Batterie 40 gespeistes elektrisches Aufheizen des Katalysators 22 auf eine Aktivierungstemperatur bei einem folgenden Kaltstart des Verbren nungsmotors 20 sicher gewährleistet. Dies ist durch den mit SoC_req gekenn zeichneten Block symbolisiert. Das erforderliche Ladungsniveau, SoC_req, wird dabei fortlaufend im Betrieb bestimmt in Abhängigkeit von dem Alterungszustand, SoH_Cat, des Katalysators 22, dem Alterungszustand, SoH_Bat, der Bordnetz-Batterie 40, der bei dem folgenden Kaltstart zu erwartenden Umge bungstemperatur, T_exp, von Bordnetz-Batterie 40 und Katalysator 22, der nominalen Ladungskapazität, NCC_Bat, der Bordnetzbatterie und der für den folgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors 20 voraussichtlich erforderlichen elektrischen Startenergie, StE_req, was durch die entsprechend gekennzeichneten Blöcke symbolisiert ist, die mit dem Block SoC_req, der das Bestimmen des erforderlichen Ladungsniveaus SoC_req symbolisiert, in direkter Verbindung stehen.
Der mit SoC_curr < SoC_req Block symbolisiert den fortlaufenden Vergleich des aktuellen Ladungsniveaus SoC_curr der Bordnetzbatterie 40 mit dem bestimmten erforderlichen Ladungsniveau SoC_req. Liegt im Ergebnis des Vergleichs das aktuelle Ladungsniveau SoC_curr unterhalb des ermittelten erforderlichen Ladungsniveaus SoC_req, so wird das System in einen Lade-Betriebsmodus, Char_Bat, gesteuert, in dem die Bordnetzbatterie 40 geladen wird. Dieser Lade-Betriebsmodus, Char_Bat, wird zumindest so lange beibehalten, bis das aktuelle Ladungsniveau SoC_curr wieder über dem erforderlichen Ladungsniveau SoC_req liegt. Ist dies erreicht, so wird das System wieder in den Nutz-Betriebsmodus, Use_Bat gesteuert. Um ein ständiges hin- und herschalten zwischen dem Nutz-Betriebsmodus, Use_Bat, und dem Lade-Betriebsmodus, Char_Bat, zu vermeiden, kann im Lade-Betriebsmodus, Char_Bat, der Wert für das erforderliche Ladungsniveau, SoC_req, um einen Sicherheitszuschlag erhöht werden, der vor dem Umschalten in den Nutz-Betriebsmodus, Use_Bat, überschritten werden muss.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit der von einer Bordnetz-Batterie abrufbaren Leistung von ihrem Alterungszustand und ihrem Ladungsniveau. Dazu ist die abrufbare Leistung, P, (senkrecht) über dem Ladungsniveau, SoC, (waagerecht) aufgetragen. Eingetragen ist eine Leistungskurve für eine Bordnetz-Batterie im Neuzustand, P_nBat, und eine Leistungskurve für eine Bordnetz-Batterie am Ende ihrer spezifizierten Betriebsdauer, P_oBat, die durchgängig unterhalb der Leistungskurve P_nBat liegt. Mit einer gestrichelten waagrechten Linie ist eine theoretisch zur Heizung des Katalysators erforderliche Heizleistung, HP_req, bei 5 kW eingetragen. Die Schnittpunkte der erforderlichen Heizleistung, HP_req, mit den Leistungskurven P_nBat und P_oBat zeigen, dass das zur Heizung des Katalysators erforderliche Ladungsniveau der Batterie im Neuzustand, SoC_req_nBat, bei ca. 39% liegt, wogegen das erforderliche Ladungsniveau der gealterten Batterie, SoC_req_oBat, mit ca. 53% wesentlich höher liegt. Mit zunehmendem Alter der Bordnetz-Batterie liegt also das zur Heizung des Katalysators erforderliche Ladungsniveau, SoC_req, höher als bei einer neuen Bordnetz-Batterie. Dies ist bei der Bestimmung des erforderlichen Ladungsniveaus, SoC_req, entsprechend zu berücksichtigen.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit der von einer Bordnetz-Batterie abrufbaren Leistung von der Betriebstemperatur. Dazu ist wiederum die abrufbare Leistung, P, (senkrecht) über dem Ladungsniveau, SoC, (waagerecht) aufgetragen. Eingetragen ist eine Leistungskurve für eine Bordnetz-Batterie bei +10°C, P_+10°C, und eine Leistungskurve für eine Bordnetz-Batterie bei -10°C, P_-10°C, die durchgängig unterhalb der Leistungskurve P_+10°C liegt. Mit einer gestrichelten waagrechten Linie ist wiederum eine theoretisch zur Heizung des Katalysators erforderliche Heizleistung, HP_req, bei 5 kW eingetragen. Die Schnittpunkte der erforderlichen Heizleistung, HP_req, mit den Leistungskurven P_+10°C und P_-10°C zeigen, dass das zur Heizung des Katalysators erforderliche Ladungsniveau der Batterie im „warmen“ Zustand, SoC_req_+10°C, bei ca. 30% liegt, wogegen das erforderliche Ladungsniveau der „kalten“ Batterie, SoC_req_-10°C, mit ca. 54% wesentlich höher liegt. Bei niedriger Betriebstemperatur der Bordnetz-Batterie liegt also das zur Heizung des Katalysators erforderliche Ladungsniveau, SoC_req, höher als bei höherer Betriebstemperatur. Dies ist bei der Bestimmung des erforderlichen Ladungsniveaus, SoC_req, entsprechend zu berücksichtigen.
Fig. 5 zeigt schließlich ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit des erforderlichen Ladungsniveaus, SoC_req, der Bordnetz-Batterie zum Aufheizen des Katalysators vom Alterungszustand des Katalysators. Dazu ist wiederum die abrufbare Leistung, P, (senkrecht) über dem Ladungsniveau, SoC, (waagerecht) aufgetragen. Eingetragen ist eine Leistungskurve für eine Bordnetz-Batterie bei -10°C, P_-10°C. Es hat sich gezeigt, dass ein Katalysator im Neuzustand eine geringere Heizleistung bzw. weniger Heizenergie zum Aufheizen bis zur Anspringtemperatur benötigt als ein gealterter Katalysator. So ist in dem gezeigten Beispiel die erforderliche Heizleistung für einen Katalysator im Neuzustand, HP_req_nC, mit ca. 5 kW Heizleistung ermittelt und mit gestrichelter waagrechter Linie eingetragen worden. Die erforderliche Heizleistung für einen Katalysator im gealterten Zustand, HP_req_oC, ist dagegen mit ca. 6 kW Heizleistung ermittelt und ebenfalls mit gestrichelter waagrechter Linie eingetragen worden. Die Schnittpunkte der beiden gestrichelt eingezeichneten waagrechten Linien HP_req_nC und HP_req_oC mit der Leistungskurve P-10°C zeigen, dass erforderliche Ladungsniveau für den neuen Katalysator, SoC_req_nC, mit ca. 53% wesentlich niedriger liegt als das erforderliche Ladungsniveau für den gealterten Katalysator, SoC_req_oC, mit ca. 66%. Somit ist also auch der Alterungszustand des Katalysators bei der Bestimmung des erforderlichen Ladungsniveaus, SoC_req, zu beachten.
Begriffs-/Bezugszeichenliste
10 Hybrid. Kraftfahrzeug
20 Verbrennungsmotor
21 Abgasnachbehandlungseinrichtung
22 Katalysator
23 Abgasnachbehandlungskomponente
24 Abgasrohr
30 elektrische Maschine
40 Bordnetz-Batterie
50 Batteriemanagement-System
51 Prozessormodul
52 Leistungsmodul
56 Temperatursensor
60 Leistungsverbindung
70 Signalverbindung
SoC Ladungsniveau der Bordnetz-Batterie (State of Charge)
SoH Alterungszustand (State of Health)
SoH_Bat Alterungszustand der Bordnetz-Batterie
Use_Bat Nutz-Betriebmodus der Bordnetz-Batterie
Char_Bat Lade-Betriebsmodus der Bordnetz-Batterie
NCC_Bat Nominale Ladungskapazität (Nominal Charge Capacity) SoC_curr aktuelles Ladungsniveau der Bordnetz-Batterie
SoC_req erforderliches Ladungsniveau der Bordnetz-Batterie
SoH_Cat Alterungszustand des Katalysators
T_exp erwartete Temperatur
StE_req erforderliche elektrische Startenergie
P Leistung
P_nBat Leistungskurve einer neuen Bordnetz-Batterie (new Battery)
P_oBat Leistungskurve einer gealterten Bordnetz-Batterie (old Battery)
P+10°C Leistungskurve einer Bordnetz-Batterie bei +10°C
P-10°C Leistungskurve einer Bordnetz-Batterie bei -10°C
SoC_req_nBat erforderliches Ladungsniveau bei neuer Bordnetz-Batterie SoC_req_oBat erforderliches Ladungsniveau bei gealterter Bordnetz-Batterie SoC_req+10°C erforderliches Ladungsniveau bei +10°C Heizleistung SoC_req-10°C erforderliches Ladungsniveau bei +10°C Heizleistung SoC_req_nC erforderliches Ladungsniveau bei einem neuen Katalysator SoC_req_oC erforderliches Ladungsniveau bei einem gealterten Katalysator
HP_req erforderliche Heizleistung (Heating Power required)
HP_req_nC erforderliche Heizleistung eines neuen Katalysators
HP_req_oC erforderliche Heizleistung eines gealterten Katalysators

Claims

Patentansprüche
1. Batteriemanagement-Verfahren für eine Bordnetz-Batterie (40) eines Hybrid- Kraftfahrzeug (10) mit einem Verbrennungsmotor (20) und zumindest einer elektrischen Maschine (30),
- wobei der Verbrennungsmotor (20) eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (21 ) mit zumindest einem elektrisch beheizbaren Katalysator (22) aufweist und die zumindest eine elektrische Maschine (30) in einem Generatorbetrieb zum Laden der Bordnetz-Batterie (40) betreibbar ist; wobei das aktuelle Ladungsniveau (SoC_curr) der Bordnetz-Batterie (40) fortlaufend überwacht und mittels der elektrischen Maschine (30) auf einem erforderlichen Ladungsniveau (SoC_req) gehalten wird, das ein aus der Bordnetz-Batterie (40) gespeistes elektrisches Aufheizen des Katalysators (22) auf eine Aktivierungstemperatur bei einem folgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors (20) sicher gewährleistet, wobei das erforderliche Ladungsniveau (SoC_req) der Bordnetz-Batterie (40) fortlaufend im Betrieb bestimmt wird in Abhängigkeit von
- dem Alterungszustand (SoH_Cat) des Katalysators (22);
- dem Alterungszustand (SoH_Bat) der Bordnetz-Batterie (40) und
- der bei dem folgenden Kaltstart zu erwartenden Umgebungstemperatur (T_exp) von Bordnetz-Batterie (40) und Katalysator (22).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des erforderlichen Ladungsniveaus (SoC_req) der Bordnetzbatterie (40) als weitere Bestimmungsfaktoren die nominale Ladungskapazität (NCC_Bat) der Bordnetzbatterie (40) und/oder die für den folgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors (20) voraussichtlich erforderliche elektrische Startenergie (StE_req) herangezogen werden.
3. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (30) neben dem Generatorbetrieb auch
- in einem Rekuperationsbetrieb zur Rückgewinnung von kinetischer Energie des Hybrid-Kraftfahrzeugs (10) oder
- in einem Antriebsbetrieb zum Starten des Verbrennungsmotors (20) oder zum unterstützenden oder alleinigen Antrieb des Hybrid-Kraftfahrzeugs (10) betreibbar ist.
4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand des Katalysators (22) fortlaufend oder in Intervallen im Betrieb bestimmt wird auf Basis von
- geleisteten Betriebsstunden des Verbrennungsmotors (20) oder/und
- einer mittleren Konvertierungsrate im Betrieb oder/und
- einer mittleren Aufheizdauer bei Kaltstart bis zur Aktivierungstemperatur.
5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand der Bordnetz-Batterie (40) fortlaufend oder in Intervallen im Betrieb bestimmt wird unter Heranziehung von
- Messwerten für Batteriestrom und/oder Batteriespannung beim Laden und/oder Entladen und einer bei Erfassung der Messwerte vorliegenden Temperatur der Bordnetz-Batterie (40) und/oder
- einem numerischen Alterungsmodell der Bordnetz-Batterie (40).
6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Kaltstart des Verbrennungsmotors (20) zu erwartenden Temperaturen von Bordnetz-Batterie (40) und Katalysator (22)
- auf Basis von Temperaturwerten der Umgebungstemperatur zum Zeitpunkt des vorausgehenden Abschaltens des Verbrennungsmotors (20) oder
- auf Basis eines Temperaturwertverlaufs der Umgebungstemperatur über einen Zeitraum vor dem vorausgehenden Abschalten des Verbrennungsmotors (20) abgeschätzt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Kaltstart des Verbrennungsmotors (20) zu erwartenden Temperaturen von Bordnetz-Batterie (40) und Katalysator (22) auf Grundlage von geografischen Daten des Standortes des Hybrid-Kraftfahrzeugs (10) und von geografisch und jahreszeitlich zugeordneten Temperatur-Erwartungswerten oder von geografisch zugeordneten Temperaturprognosen für die Umgebungstemperatur des Hybrid-Kraftfahrzeugs (10) abgeschätzt werden.
8. Batteriemanagement-System (50) für eine Bordnetz-Batterie (40) eines Hybrid- Kraftfahrzeug (10) mit einem Verbrennungsmotor (20) und zumindest einer elektrischen Maschine (30),
- wobei der Verbrennungsmotor (20) eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (21 ) mit zumindest einem elektrisch beheizbaren Katalysator (22) aufweist und - die zumindest eine elektrische Maschine (30) in einem Generatorbetrieb zum Laden der Bordnetz-Batterie (40) betreibbar ist, wobei das Batteriemanagement-System (50) zur Durchführung des Batteriemanagement-Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet und steuerungstechnisch zumindest mit der Bordnetz-Batterie (40), der elektrischen Maschine (30) und dem elektrisch beheizbaren Katalysator (22) verbunden ist.
9. Batteriemanagement-System (50) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es - ein elektronisches Prozessormodul (51) aufweist, das zur Erfassung von
Messdaten, zur Durchführung von für das Batteriemanagement-Verfahren erforderlichen Rechenoperationen auf Grundlage der erfassten Messdaten und zur Ausgabe von daraus resultierenden Steuersignalen eingerichtet ist.
10. Batteriemanagement-System (50) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es
- ein Leistungsmodul (52) zur Steuerung von Leistungsströmen zwischen der Bordnetz-Batterie (40), der elektrischen Maschine (30) und dem elektrisch beheizbaren Katalysator (22) in Abhängigkeit von den Steuersignalen des Prozessormoduls (51) aufweist.
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