CN102215607A - 车辆流体箱的加热器、包括其的机动车辆、及用于加热车辆流体箱的方法 - Google Patents

车辆流体箱的加热器、包括其的机动车辆、及用于加热车辆流体箱的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种车辆流体箱的加热器、包括其的机动车辆、及用于加热车辆流体箱的方法。具体地，提供了用于车辆流体箱(100)的加热系统，所述加热系统包括至少一个电阻元件(110)以及一个控制单元(120)，该控制单元被适配为引导电流穿过所述至少一个电阻元件(110)，其中所述控制单元(120)被适配为根据一种脉宽调制方案改变所述电流。

Description

车辆流体箱的加热器、包括其的机动车辆、及用于加热车辆流体箱的方法
本发明涉及一种用于车辆流体箱的加热系统，所述加热系统包括至少一个电阻元件以及一个控制单元，该控制单元被适配为引导电流穿过所述至少一个电阻元件。本发明还涉及一种包括此种加热系统的机动车辆。本发明还涉及一种用于加热车辆流体箱的方法。
用于车辆流体箱的加热系统，具体是用于旨在盛放在正常的冬季温度下可以冻结的流体(诸如在选择性催化还原反应(SCR)中用来处理来自内燃发动机的排气的氨前体溶液)的箱，在本领域内是已知的。一种常用类型的前体溶液是水和脲的一种低共熔的液体混合物，它在商标AdBlue下是可商购的。已知这种溶液在低于大约-11℃的温度下冻结，这是一种在世界的许多区域的冬季时间期间有规律地发生的情况。因此，必要的是在这些条件下在将排气中的NOx化合物还原之前融化一定量的储存溶液。
在申请人名下的专利申请WO 2008/138960A1说明了一种脲储箱以及具有一个集成加热元件的基板。这种集成加热元件包括至少一个柔性加热部件。优选地，该柔性部件是一个柔性加热器，这就是说它包括插在两个柔性薄膜之间或附接于一个柔性薄膜上的至少一个电阻条。
在上述这些加热系统中，重要的是避免氨前体溶液的过热，这种过热可以导致不愉快的气味并且甚至导致溶液特性的不希望的改变。对于这一问题，现有技术的解决方案是使用带有电阻的加热元件，该电阻具有一个正温度系数(PTC)，因此提供了一定量的自调整。然而，当该PTC为温的时，可获得较小的加热功率。此外，由于电流消耗随温度而改变，因而基于电流消耗的似真性对加热器进行诊断是有困难的。
在典型的汽车状况下，电源电压可以在9与16伏之间的范围，这取决于电气系统上的总的瞬时负载。由于车辆操作者或者来自车辆电子设备的指令的作用，该供给电压随着不同的电气功能件接通和断开而波动。典型地，这些电气功能件是高消耗功能件(如空调单元和后窗除霜器)以及低消耗单元(如不同的电子电路和指示器)的一种混合。这些功能件可以在非常不同的时间标度下循环经过接通和断开的状态。其结果是，由电阻元件所消散的热量的量值也将会波动，从而使之难以控制将要对车辆流体箱的内含物进行融化和/或加热所处的精确条件。
对于SCR系统，这些加热条件的可控制性是一个严肃的考虑，因为车辆制造商们想要确保一个足够迅速的融化过程以符合可适用的排放标准(具体地是关于NOx排放)，同时避免氨前体溶液的过热。一个进一步的考虑是避免加热系统本身(包括例如控制单元、流体容器、接线以及这些电阻元件)的过热。
本发明的一个目的是提供一种满足以上考虑的上述种类的加热系统。
根据本发明的一个方面，因此在此提供了一种如所说明的加热系统，其中该控制单元被适配为根据一种脉宽(脉冲宽度)调制方案改变所述电流。
本发明是基于以下理解，即通过改变脉宽调制的电流的占空比，电阻元件所消耗的热量的量值在相同程度上发生改变。
因此，该加热系统的尺寸可以被有利地确定为在可以正常预期到的最低供给电压下根据一个希望的特征来运行，并且当实际的供给电压高于这个最小值时则可以对脉宽调制的电流的占空比进行调制来补偿。
使用脉宽调制来控制加热器在本领域内是已知的。美国专利申请2004/0170212A1披露了使用脉宽调制来控制被引导通过一个电阻加热器的平均有效电流。其中披露的加热器旨在用于加热一个传感器，而不具有与一个车辆流体箱一起使用时所要求的特征。
本发明的实施方案的另一个目的是允许进行一个阶段性的融化过程，其中一个第一阶段在较高的热消散水平下运行，如所要求的快速融化一个足够量的溶液以允许泵开始运行，并且一个第二阶段在较低的热消散水平下运行以允许箱内含物的残余物逐渐融化。
在本发明的加热系统的一个实施方案中，该脉宽调制方案被施用为使得可以获得至少两个不同的加热功率水平。
这个实施方案具有允许一个阶段性融化过程的优点。对应的所希望的特征通过向占空比施加一个进一步的修改来获得。
在本发明的加热系统的一个实施方案中，该控制单元被适配为确定占空比，该占空比与供给电压的一个平稳测量值的平方成反比。
平稳测量值的使用具有以下优点，即忽略供给电压的高频波动。可以实现这一点而不会消极地影响加热系统的运行，因为这种电阻元件的热惯性及其环境正常时将足够大至使得非常精细的调制是以热方式不可检测的。
在一个实施方案中，该加热系统进一步包括一个操作性地连接到所述控制单元上的温度传感器，其中所述控制单元被适配为响应于从所述温度传感器接收的一个温度读数来修改所述电流的占空比。
这个实施方案具有能够提供一种附加的保护以防止车辆箱系统的所选部件过热的优点。在一个具体的实施方案中，该温度传感器被置于该控制单元中或者在其附近。这个实施方案具有保护控制单元的优点，这可以使用热敏的电子设备来实现。在另一个具体实施方案中，该温度传感器被置于该电阻元件附近。这个实施方案具有提供一个真实反馈回路的优点，这样使得该系统除上述这些控制特征之外可以像一个恒温器一样运行。
根据本发明的一个方面，在此提供了一种包括配备有本发明的加热系统的流体箱的机动车辆。
根据本发明的另一个方面，在此提供了一种用于加热具有至少一个电阻元件的车辆流体箱的方法，该至少一个电阻元件在一个控制单元(120)的控制下从电源接收电流，该方法包括根据一种脉宽调制方案改变所述电流。
在本发明的方法的一个实施方案中，该脉宽调制方案的施用方式为使得可以获得至少两个不同的加热功率水平。
在一个实施方案中，本发明的方法进一步包括测量所述电源的电压、使所述供给电压平稳、并且针对所述脉宽调制来确定一个占空比，该占空比与所述平稳的供给电压的平方成反比。
在一个实施方案中，本发明的方法进一步包括：测量一个温度、并且响应于所述温度来修改所述电流的占空比。在一个具体的实施方案中，所述温度是在所述控制单元(120)中或者在其附近测量的。在一个具体的实施方案中，所述温度是在所述电阻元件(110)附近测量的。
通过参照以下附图将更好地理解本发明的这些方面和其他方面，在附图中：
图1是本发明的加热系统的示意图；
图2是根据本发明的一个加热系统中相对脉宽随供给电压而变化的简图；并且
图3是根据本发明的方法的一个实施方案的流程图。
在图1中示意性描绘的实施方案包括在一个车辆流体箱100(特别是用于盛装一种脲溶液的箱)内的一个电阻元件110，其中该电阻元件110被用于加热箱100的内含物。在本发明的系统的具体实施方案中，电阻元件还可以或者取而代之被安排在该箱的外部和附近或者在箱的多个附件(如一种脲溶液泵)处，这些附件要求加速融化周围的溶液。
电阻元件110从一个控制单元120接收电流，该控制单元从一个电源(此处描绘为一个电池130)获取其能量。普通技术人员应当理解的是，尽管只示出了一个电池130，但除电池130之外或者作为其替代物可以存在其他电源元件，如一个交流发电机。
普通技术人员还将会认识到，在本说明书中任何之处的控制单元120被描述为传送、引导、或者控制一个电流，这种作用事实上可以通过相应地作用在相应的电信号的电压上来完成，这两个变量通过电能导入所经电路的总体电阻而本质上相连。
控制单元120被适配为将由电池130提供的电源电压(该电源电压可能在约9V与约16V之间波动)转换为脉宽调制的电信号(如示意性地展示为方波123)。通过电阻元件110将这个信号中的能量转换为热量。
为此，控制单元120包括一个占空比计算智能体121以及一个切换智能体122。
该占空比计算智能体121结合了所有相关信息以确定根据本发明的概念所希望的占空比。因此，考虑到电池130传送的瞬时供给电压水平，占空比计算智能体121被适配为针对所希望的热消散水平确定所要求的占空比，如参见以下图2更详细说明的。优选地，考虑到瞬时供给电压水平，占空比计算智能体121被适配为针对一个第一和一个第二所希望的热消散水平来确定对应的所要求的占空比。占空比计算智能体121直接地或者在平稳滤波器124运行之后间接地测量该供给电压，该平稳滤波器旨在从所测量的供给电压测量值中去除高频波动。平稳滤波器124可以被实现为一种常见的低通滤波器。
控制单元120(并且更具体地是占空比计算智能体121)被操作性地连接到安排在该电阻元件110附近(优选在箱100中)的一个第一温度传感器141上和/或连接到安排在所述控制单元120中或者附近的一个第二温度传感器142上。占空比计算智能体121可以在该占空比的确定中考虑来自这些温度传感器141、142的温度读数以满足多个附加的目的，诸如当该内含物未冻结时避免箱100的不必要的加热、避免箱100的内含物的过热、以及避免控制单元120的过热，该控制单元的温度部件可以是热敏的。
操作性地连接到占空比计算智能体121上的切换智能体122被适配为根据占空比计算智能体121确定的占空比来进行实际的脉宽调制，因此将电池130供给的电压转变成所希望的电压波123。
可以使用任何众所周知的用于电子控制电路学的技术(分开地或者共同地)来实现占空比计算智能体121和切换智能体122，包括例如适当编程的处理器或者微控制器、适当配置的可编程逻辑(包括现场可编程门阵列(FGPA))、专用集成电路(ASIC)、以及不同的电子电路。
图2代表了根据本发明的一个实施方案的加热系统中相对脉宽随供给电压而变化。为了展示的目的，假定该加热系统被适配为在一个第一加热功率水平P1＝100W和一个第二加热功率水平P2＝50W下来操作。该加热系统被设计为在Umin＝8V的供给电压水平(这与稍小于典型的汽车系统中最低的正常预期供给电压相对应)下提供这些功率水平。因为对于100％的占空比(即对于一个始终运行的加热器)，P2＝Umin 2/R，我们发现电阻元件必须具有0.64Ω的电阻。
为了针对高于以上提及的最小水平的供给电压水平维持一个100W的第一热消散水平，减少了脉宽调制的加热电流的占空比。因此，在其他的方面完全相同的条件下，由于供给电压的两倍增加(即16V的供给电压)将导致热消散的四倍增加，所以相应的占空比必须被设定为25％以便维持100W的热消散水平。相同的计算适用于供给电压的任何中间值，因此产生了图2的简图中最上面的曲线(其中数据点作为实心圆点示出)，其中所得到的占空比清楚地显示了一个1/U2的比例性。
为了在以上提及的最小供给电压水平Umin下获得一个50W的第二热消散水平，在此电压下将该脉宽调制的加热电流的占空比设定为50％。为了针对高于最小水平的供给电压水平维持这一热消散水平，进一步减少了该占空比。再次，由于在其他方面完全相同的条件下供给电压的两倍增加(即16V的供给电压)将导致热消散的四倍增加，所以相应的占空比必须被设定为12.5％以便维持50W的热消散水平。相同的计算适用于供给电压的任何中间值，因此产生了图2的简图中最下面的曲线(其中数据点作为空心圆点示出)，其中所得到的占空比再次清楚地显示了一个1/U2的比例性。
在图2中，代表在0V与8V之间的供给电压水平的虚线区域是一个异常区域。如果按以上所指明的选择该加热元件的电阻，确定将会导致所希望的100W的热消散的、在0％与100％之间的一个占空比是不可能的。使用高于50％的占空比值，原则上有可能提供50W的加热水平，只要供给电压是大于或等于U50W＝√(100％×50W×0.64Ω)＝5.66V。
图3表示本发明的方法的一个实施方案的流程图。
在步骤310中，从至少一个第一和一个第二所希望的热消散水平中选出一个所希望的热水平。这可能根据一个预定的时间进度表发生，例如为了在发动机启动后直接在一个预定的时间T1期间应用一个更高的热消散水平以及在时间T1终止之后应用一个更低的热消散水平。在步骤320中，测量瞬时电源电压。在步骤330中，可任选地将供给电压平稳化。
步骤320和330的顺序可以在实施方案之间变化。可以照原样测量供给电压，因此，对这些测量值应用一种数值平稳算法，如时间平均算法。可替代地，可以使该供给电压穿过一个低通滤波器或者其他电子平稳化装置，因此使用该控制单元来测量该平稳信号用于进一步的使用。还可以例如通过使用一种低频取样与保持测量法将测量和平稳化相结合。
可任选地，通过测量、优选通过如以上对于图1的传感器140和141所描述而定位的多个温度传感器来获得一个或多个温度值。
最终，在步骤350中，将所有相关信息进行合并，以确定根据本发明的概念所希望的占空比。因此，考虑到电池130传送的瞬时供给电压水平，控制单元120针对至少一个第一和一个第二所希望的热消散水平中的一者来确定所要求的占空比，如参见以上图2更详细说明的。将温度测量值(若可获得的话)纳入考虑以便进一步减少占空比(或者甚至完全关闭该加热系统，这对应于0％的占空比)，例如当温度的测量值表明这些箱内含物和/或该控制单元过热的风险时。
尽管已经作为一系列连续的步骤对本发明的方法进行了说明和展示，普通技术人员将会认识到这些步骤的顺序总体而言对本发明不是实质性的。
尽管已经在此参照某些示例性实施方案对本发明进行了说明，但是普通技术人员将会理解到，这些实施方案是用于展示而并非限制本发明，本发明的全部范围是由所附的权利要求确定的。

Claims (14)

1.一种用于车辆流体箱(100)的加热系统，所述加热系统包括至少一个电阻元件(110)以及一个控制单元(120)，该控制单元被适配为引导一个电流穿过所述至少一个电阻元件(110)，其特征在于，所述控制单元(120)被适配为根据一种脉宽调制方案改变所述电流。
2.如权利要求1所述的加热系统，其中，该脉宽调制方案被施用为使得可以获得至少两个不同的加热功率水平。
3.如权利要求1或2所述的加热系统，其中该控制单元(120)被适配为确定所述电流的一个占空比，该占空比与供给电压的平稳测量值的平方成反比。
4.如以上权利要求中任一项所述的加热系统，进一步包括一个操作性地连接到所述控制单元(120)上的温度传感器(141，142)，其中所述控制单元(120)被适配为响应于从所述温度传感器(141，142)接收的一个温度读数来修改所述电流的占空比。
5.如权利要求4所述的加热系统，其中所述温度传感器(142)被置于所述控制单元(120)之内或者其附近。
6.如权利要求4所述的加热系统，其中所述温度传感器(141)被置于所述电阻元件(110)附近。
7.一种机动车辆，包括配备有以上权利要求中任一项所述的加热系统的一个流体箱。
8.如权利要求7所述的机动车辆，其中所述流体箱(100)是用于储存一种有待用在选择性催化还原反应中的添加剂的一个箱。
9.一种用于加热车辆流体箱(100)的方法，该车辆流体箱具有至少一个电阻元件(110)，该至少一个电阻元件在一个控制单元(120)的控制下从一个电源接收一个电流，其特征在于，所述方法包括根据一种脉宽调制方案改变所述电流。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述脉宽调制方案被施用的方式为使得可以获得至少两个不同的加热功率水平。
11.如权利要求9或10所述的方法，进一步包括测量所述电源的电压、使所述测量的供给电压平稳、并且针对所述脉宽调制来确定一个占空比，该占空比与所述平稳的、测得的供给电压的平方成反比。
12.如权利要求9至11中任一项所述的方法，进一步包括：测量一个温度、并且响应于所述温度来修改所述电流的占空比。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述温度是在所述控制单元(120)内或者其附近测量的。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述温度是在所述电阻元件(110)附近测量的。
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