CN115885094A - 用于运行催化器的电加热装置的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行催化器（3）的电加热装置（4）的方法，其中所述加热装置（4）通过能控开关（12）与提供输出电压的能量源（5）连接，所述输出电压被规定在从最小电压值到最大电压值的电压范围（II；IV）内，但是也能够设想在这个电压范围（II；IV）之外的电压，其中控制单元（6）检测所述输出电压并且根据所检测的输出电压与预先给定的参考电压值的差值以用占空比来脉宽调制的方式断开地和闭合地操控所述能控开关（12），并且所述控制单元（6）以用如此经过调整的占空比来脉宽调制的方式操控所述能控开关（12），使得所述电加热装置（4）的加热功率相应于预先给定的标称加热功率。

Description

用于运行催化器的电加热装置的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于运行催化器的电加热装置的方法和装置，其中所述加热装置经由能控开关与提供输出电压的能量源连接，所述输出电压被预先给定在从最小电压值至最大电压值的电压范围内，但是也设想在这个电压范围之外的电压，其中控制单元检测所述输出电压并且根据所检测的输出电压与预先给定的参考电压值的差值来断开地或闭合地操控所述能控开关。

背景技术

这种方法和这种装置由DE 196 45 016 C1已知。在该文件中解释，为了有害物质的特别少的排放，尤其是在重新起动内燃机时有必要将催化器快速加热到其工作温度。为此，例如应该设置电加热装置，该电加热装置对催化器进行电加热。用于催化器的相应的电加热装置例如由发动机技术杂志56（1995年）9第488页及以下数页Erhard Otto等人的“可电加热的催化器的系统研发”已知。所述电加热催化器的供电是特殊的问题范围，因为它对车载电网和发动机运行具有严重的反作用。在该论文的方法中，在开始对催化器进行加热时测量电压作为参考电压，其中在对催化器进行加热的期间持续地作为当前电压来查明所述电压并且将其与参考电压进行比较。如果所述参考电压与当前电压之间的差大于差值，则中断对于所述催化器的加热。通过这种方式，根据在加热期间的电压降确定电压源的品质并且根据所述品质来中断或继续所述加热。

然而，由此仅仅处理了没有通过加热使能量源经受过度负荷的问题。

此外，通过文件DE 10 2018 120 402 A1公开了用于对车辆的电加热催化器系统进行控制的方法和装置，其中根据功率需求来确定是应该使用高电压电网还是使用低电压电网来对所述催化器系统进行加热。

电加热催化器主要用于在发动机冷起动之后加速催化器发热。所述催化器也能够用于使在行驶周期的期间冷却的催化器重又发热。当前，电加热催化器被设计用于以例如12 V或48 V的电源标称电压来工作，其中所要求的例如2.5 kW或4 kW的加热功率是常见的。通常如此设计所述电加热催化器，使得其在标称电压下获得所要求的加热功率。与这些标称值的偏差经常被用于在开发阶段的期间研究电加热催化器的效果和优点。

机动车辆中的电压供给大多借助于具有例如12或48 V的输出电压的电池来进行，其中这仅仅是额定电压，然而在运行时可能出现与此的显著偏差，因为这些电池由于较高数量的同时要运行的负载而可能经受严重的负荷。此外，这些电池可能被充电到比它们的额定电压高的电压。因此，例如12 V电池的工作电压范围被规定在大约9 V与14 V之间，而对于48 V电池来说工作电压范围则被规定在36 V与52 V之间。也就是说，当所述电池的当前电压处于这些范围之内时，允许通过负载的接通来给所述电池加负荷。

现在，典型的要求是，电加热催化器的例如4kW的预先给定的加热功率应当在48V电池的例如36V至52V的总允许电压范围内可用。所述电加热催化器具有纯电阻特性。这意味着所期望的标称加热功率仅仅在标称电压下产生。如果电压较低，则加热功率也将较低，这意味着催化器的预热阶段被显著延长。在电池电压高于标称电压时，加热功率相应地更大，这会使对于催化器的加热加速。这种关系在图2中得到说明，图2示出了加热功率与电池电压的平方关系。可以看出，实际的加热功率在允许的电压范围内可能具有显著的偏差。

发明内容

本发明的任务是，说明用于运行催化器的电加热装置的一种方法和一种装置，其中能够在蓄能器的整个所规定的输出电压范围内实现恒定的加热功率。

该任务通过一种用于运行催化器的电加热装置的方法来解决，其中所述电加热装置通过能控开关与提供输出电压的能量源连接，所述输出电压被规定在从最小电压值到最大电压值的电压范围内，但是也能够设想处于这个电压范围之外的电压，并且其中控制单元检测所述输出电压并且根据所检测的输出电压与预先给定的参考电压值的差值以用占空比来脉宽调制的方式断开地和闭合地操控所述能控开关，其中在所述输出电压与参考电压值的差值为正时，所述控制单元以用如此经过调整的占空比来脉宽调制的方式操控所述能控开关，使得所述电加热装置的功率相应于预先给定的标称加热功率。

经过脉宽调制的控制信号的特征在于，预先给定被切断的与被接通的运行阶段之间的变换，其中各个接通阶段和断开阶段的持续时间或者接通阶段与断开阶段之间的比例被称为占空比并且得出在时间上的平均功率并且其能够根据需要来改变。随着接通阶段的份额的升高，谈及增大的占空比，因此100%的占空比在一定程度上相应于持续接通状态。

本发明的一种实施方式的特征在于，随着所述输出电压与参考电压值的差值的减小，所述能控开关的操控信号的脉宽调制的占空比增大。在这种情况下，减小的差值意味着能量源的减小的输出电压。为了在能量源的输出电压减小时能够保持标称加热功率，必须提高脉宽调制的接通阶段的份额、即占空比。通过根据输出电压与参考电压值的差值、即最后根据输出电压的大小来调整占空比这种方式，能够有利地至少在预定义的电压范围内将标称加热功率保持恒定。

在本发明的另一种实施方式中，如果所述能控开关的操控信号的脉宽调制的占空比为100%并且所述输出电压与参考电压值的差值为0，则达到标称加热功率。换句话说，如果所述输出电压达到通过参考值所规定的下限，则通过所述占空比充分利用最大值、即100%，以便仍然维持标称加热功率。这以简单的、有利的方式实现了电加热装置和能量源的工作范围或者负荷范围的相互协调。

在所述构思的延续中，在本发明的另一种实施方式中，如此规定所述预先给定的参考电压值，使得其相当于能量源的最小电压值。通过这种方式，可以以有利的方式利用所述能量源的输出电压的整个规定范围并且确保，即使在所述能量源的规定范围的下端处也还能够达到标称加热功率。

所述按本发明的主题的另一种实施方式的特征在于，如果所述输出电压相应于能量源的最大电压值，则所述操控信号的脉宽调制的占空比大约为50%。将用于脉宽调制的占空比的50%的数值确定在上规定极限处，这确保在可能出现能量源的过电压的情况下能够避免所述电加热装置的过热并且由此通过占空比的进一步降低的可行方案来避免系统的损坏。

接下来，本发明的一种实施方式能够通过以下方式来确定，即：所述能量源的最小电压值为9V或36V，并且所述能量源的最大电压值为14V或52V，并且所述电加热装置的标称加热功率被规定为2.5kW或4 kW。用这些数值来参照机动车的车载电网的两种所建立的设计方案，在所述设计方案中能够有利地使用按本发明的方法。一方面参照12V的车载电网系统，其中所述能量源的所规定的工作范围在9V与14V之间，并且所述标称加热功率由于较低的电压也仅仅为2.5kW。另一方面参照48V车载电网系统，其中所述能量源的所规定的工作范围在36V与52V之间，并且所述标称加热功率由于较高的电压而能够被设计为4kW的数值。

本发明也涉及一种用于运行催化器的电加热装置的装置，该装置：具有能控开关，所述能控开关将所述电加热装置与提供输出电压的能量源连接起来，所述输出电压被预先给定在从最小电压值至最大电压值的电压范围内，但是也能够设想在这个电压范围之外的电压；并且具有控制单元，所述控制单元被设立用于检测所述输出电压并且根据所检测的输出电压与预先给定的参考电压值的差值以用占空比来脉宽调制的方式断开地和闭合地操控所述能控开关，其中所述控制单元此外被设立用于执行根据前面提到的实施方式之一所述的方法。

在所述装置的另一种实施方式中，所述开关是DC-DC转换器的组成部分。这实现了所述装置的一种集成的成本低廉的的设计。在此，所述DC-DC转换器能够被制作为降压转换器。

本发明因此涉及一种方法和一种装置，其用于将电加热催化器的加热功率在电压供给的允许的电压范围内稳定在标称加热功率上。为此，在一种实施方式中，例如不再将所述催化器的电加热装置的所要求的标称加热功率设计到能量源的标称电压上、而是设计到能量源或电压供给装置的最小允许电压上，并且然后通过对于用于将电加热装置与电池连接起来的开关的操控信号的脉宽调制在能量源的输出电压较高的情况下通过对于脉宽调制的占空比的调整将所述加热功率调节到标称加热功率上。这意味着，在能量源的输出电压较高时，需要用于开关的操控信号的较小的占空比，以便设定所要求的标称加热功率。

这一点在图3中示出。这里给出了36至52 V的允许的电压范围，其中4 kW的标称加热功率应该以36 V的参考电压来实现，该参考电压同时代表着能量源的所规定的工作范围的最小电压。为了在36 V和52 V之间的整个电压范围内保持这种4 kW的加热功率、也就是说在能量源的输出电压较高时不产生提高的加热功率，将用于将能量源或者电池与催化器的电加热装置连接起来的开关的操控信号的脉宽调制的占空比在36 V电压情况下从100%连续地降低到在52 V电压情况下在达到能量源的输出电压的所规定的最大值时的大约50%。

通过对于加热功率的这种有利的控制，能够在能量源的整个允许的所规定的电压范围内恒定地遵守所述标称加热功率。由此，不仅缓慢的而且快速的电压变化都能够通过脉冲宽度调制的快速反应和调节来得到补偿，其中不仅所述缓慢的而且快速的电压变化例如通过电池技术和电压网或者被连接在其上的负载而受到影响。此外，所述催化器加热在每个行驶循环中并且在能量源的输出电压或者电池电压的整个预先给定的范围内没有遭受不可预见的波动，而是可测算地保持相同。

在所述按本发明的装置的一种构造方案中，所述开关能够是DC-DC转换器的组成部分，其中所述DC-DC转换器而后优选作为降压转换器来构成。

所述方法和装置能够有利地优选在机动车中不仅用于汽油驱动的内燃机、而且也用于柴油驱动的内燃机。在此，所述催化器能够被安置在排气系中的每个任意位置上。

附图说明

下面要借助于附图根据实施例来详细描述本发明。在此：

图1示出了按照一种实施例的装置的原理布置，

图2示出了在进行未受调节的加热控制时的电压和加热功率范围的图示，并且

图3示出了在根据本发明进行受调节的加热控制时的电压和加热功率范围的图示。

具体实施方式

图1示出了内燃机1，该内燃机具有排气系2，在所述排气系中安装有催化器3。所述催化器3具有电加热装置4，该电加热装置将催化器3加热到预先给定的运行温度。所述加热装置4由作为蓄能器的电压源、例如电池5或电容器供给电能。下面借助于电池5来解释本实施例。

所述电池5以正极经由第一供电线路11被联接到所述加热装置4上。所述负极经由第二供电线路12和开关13同样与加热装置4连接。所述电池能够具有12 V的额定电压、即常规的车辆电池的电压或者具有48 V的额定电压。对于具有48 V的额定电压的车辆电池来说，规定例如从36 V至52 V的允许的电压范围。

也能够代替仅仅经由开关13将电池5与加热装置4起来的做法而使用具有开关13的DC-DC转换器。

在一种简单的构造方案中，所述加热装置4具有例如作为加热元件的电阻丝。此外，设置了控制设备6，该控制设备经由数据总线8与内燃机1连接、经由第二测量线9与第二供电线路12连接、经由第一测量线10与第一供电线路11连接并且经由控制线路7与可操控的开关13连接。此外，所述控制设备6经由传感器线路15与布置在催化器3上的温度传感器14连接。

所述内燃机1拥有空气质量流量计18，其布置在进气道中并且测量由内燃机吸入的空气质量。此外，所述内燃机1拥有冷却器16，该冷却器填充有冷却液，所述冷却液经由被引入到内燃机中的冷却通道对内燃机进行冷却。此外，在所述内燃机1上设置了发电机19，该发电机由所述内燃机驱动并且通过充电线20给电池5充电。

所述控制设备6根据内燃机1的参数、电池5的电压和催化器3的温度来控制电加热装置4，用该电加热装置将所述催化器3加热到其预定的运行温度。

所述催化器3的温度调节例如能够通过以下方式来进行，即：所述控制设备6在内燃机1起动时测量催化器3的温度。此后，所述控制设备6将催化器3的所测得的温度与在存储器17所存放中的预先给定的催化器温度进行比较。所存放的催化器温度优选相应于催化器的例如350℃的最佳运行温度。如果所述比较表明所测得的催化器温度大于或等于所存放的催化器温度，则不对所述催化器进行电加热，因为所述催化器3是足够热的。否则，如此操控所述开关12，使得所述加热装置4以标称加热功率来工作，直到所述催化器已经达到所述运行温度。

图2示出了加热功率与所加载的电池电压的平方关系。在此，在所示出的实例中，所述电池电压具有从36V到52V的所规定的输出电压范围II。由此，由于所述加热装置的电阻而产生2.25 kW至4.69 kW的加热功率范围I。对于48 V的标称电压来说实现所期望的4kW的加热功率。这用点III来示出。

图3示出了在运用按本发明的方法或使用按本发明的装置时加热功率的变化曲线和用于开关12的脉宽调制的操控信号的占空比的变化曲线。所述电池电压的所规定的输出电压范围IV再次处于36V与52V之间。然而，现在以用作参考电压的最小电压值在输出电压范围IV内就已经达到了4kW的所期望的加热功率，这用V来示出。此后，通过对于按照图1的加热装置的开关12的脉宽调制的操控将加热功率调节到4kW的恒定值。为此，必须根据电池电压的所查明的当前值来调节脉宽调制的操控信号的占空比。所述占空比与电池电压的相关性利用变化曲线VII来示出。如在图3中可见，在所述输出电压范围IV的最小电压的点处所述脉宽调制（PWM）的占空比为100%并且随着电池电压的升高而如此减小，从而将所述加热功率恒定地保持为4 kW。

Claims (9)

1.一种用于运行催化器（3）的电加热装置（4）的方法，其中所述电加热装置（4）经由能控开关（12）与提供输出电压的能量源（5）连接，所述输出电压被规定在从最小电压值到最大电压值的电压范围（II；IV）内，但是也能够设想在所述电压范围（II；IV）之外的电压，其中控制单元（6）检测所述输出电压并且根据所检测的输出电压与预先给定的参考电压值的差值以用占空比来脉宽调制的方式断开地和闭合地操控所述能控开关（12），

其特征在于，

在所述输出电压与所述参考电压值的差值为正时，所述控制单元（6）以用如此经过调整的占空比来脉宽调制的方式操控所述能控开关（12），使得所述电加热装置（4）的加热功率相应于预先给定的标称加热功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，随着所述输出电压与所述参考电压值的差值减小，所述能控开关（12）的操控信号的脉宽调制的占空比增大。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果所述能控开关（12）的操控信号的脉宽调制的占空比为100%并且所述输出电压与所述参考电压值的差值具有数值0，则达到所述标称加热功率。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述预先给定的参考电压值相应于所述能量源（5）的最小电压值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，如果所述输出电压相应于所述能量源（5）的最大电压值，则所述操控信号的脉宽调制的占空比为大约50%。

6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述能量源（5）的最小电压值为9V或36V，并且所述能量源（5）的最大电压值为14V或52V，并且所述电加热装置的标称加热功率被规定为2.5kW或4 kW。

7.一种用于运行催化器（3）的电加热装置（4）的装置，所述装置具有能控开关（12），所述能控开关将所述电加热装置（4）与提供输出电压的能量源（5）连接起来，所述输出电压被预先给定在从最小电压值到最大电压值的电压范围（II；IV）内，但是也能够设想在所述电压范围（II；IV）之外的电压；并且所述装置具有控制单元（6），所述控制单元被设立用于检测所述输出电压并且根据所检测的输出电压与预先给定的参考电压值的差值以用占空比来脉宽调制的方式断开地和闭合地操控所述能控开关（12），

其特征在于，

所述控制单元（6）此外被设立用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述开关13是DC-DC转换器的组成部分。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述DC-DC转换器是降压转换器。

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