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In Fahrzeugen werden elektrische Versorgungsnetze zum Versorgen elektrischer Komponenten verwendet. Neben einem Akku ist ein Generator oder Alternator Teil des Netzes, der dazu in der Lage ist, mechanische Leistung in elektrische Leistung umzuwandeln. Auf diese Weise kann der Akku geladen werden und die Komponenten können kontinuierlich versorgt werden.
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In Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen wird eine Nachbehandlung für das Abgas der Brennkraftmaschine verwendet, um Luftverschmutzung zu reduzieren. Katalysatoren werden dafür verwendet, die chemische Umsetzung spezieller Substanzen in dem Abgas, beispielsweise Stickoxide (NOx), zu unterstützen. Allerdings müssen solche Katalysatoren oder andere Vorrichtungen zum Reduzieren von Substanzen wie speziellen Gasen oder Partikeln aus dem Abgas für Normalbetrieb auf eine minimale Betriebstemperatur aufgeheizt werden.
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Es ist bekannt, zum Erleichtern dieses Heizprozesses Elektroheizungen zu verwenden. Solche Heizvorrichtungen weisen eine relative hohe Leistung auf.
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Die Druckschrift
DE 696 25 866 T2 wird eine zeitabhängige Steuerung eines Heizelements beschrieben, die zwei Zeitabschnitte aufweist. In diesen Zeitabschnitten werden die elektrischen Energiequellen (Generator / Batterie) unterschiedlich verwendet und die Heizsteuerung wird unterschiedliche betrieben: Entweder mit maximaler Leistung für das Heizelement, oder die Leistung wird basierend auf dem Widerstand des Heizelements eingestellt.
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Die Druckschrift
DE 10 2016 203 044 A1 beschreibt ein Verfahren zur Reduktion einer Rippelspannung, wobei mehrere Wechselrichter betrieben werden und die Tastperioden und Phasen der jeweiligen Tastsignale so konfiguriert werden, dass die resultierenden Taktfrequenzen im Wesentlichen übereinstimmen.
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Die Druckschrift
DE 60 2004 010 869 T2 zeigt ein Antriebsstrang-Steuermodul, das die Karosseriesteuerung 26 allgemein ansteuert, welche wiederum die Zusatzlast in Form einer Heizung schaltend ansteuert. Ein weiterer Steuerpfad geht ebenso von Antriebsstrang-Steuermodul aus und führt über Leitung zum Spannungsregler.
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Für pulsweitengeregelte (PWM) Heizvorrichtungen führt jede ansteigende Flanke zu einem signifikanten Spannungseinbruch in dem Versorgungsnetz und jede abfallende Flanke führt zu einer Spannungszunahme (Spitze) in dem Netz. Diese negativen und positiven Spitzen werden mit einer relativ hohen Frequenz wiederholt, d. h. der Frequenz der PWM. Die Regelung des Generators oder Alternators detektiert solche Spannungsänderungen und führt eine Regelkorrektur für jede Spitze durch. Aufgrund der hohen Frequenz der Pulsweitenmodulation (PWM) der Heizungsregelung würden die Korrekturen mit hoher Frequenz (z. B. mehr als 5 oder 10 kHz) ausgeführt, was zu einer substantiellen Welligkeit der Stromversorgung führt.
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Da dies eine negative Auswirkung auf Komponenten des Netzes und dessen Stabilität hat, besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen Ansatz zu liefern, der es erlaubt, ein PWM-geregeltes Heizelement und einen Generator in demselben Netz zu haben, was eine relativ sanfte Regelung der Spannung und des Generators erlaubt.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 erfüllt. Weitere Merkmale, Ausführungsformen, Charakteristika und Vorteile werden in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
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Das hier beschriebene Verfahren ist ein Regelungsverfahren zum Regeln eines Generators eines Automobilstromversorgungsnetzes. Das Netz beinhaltet den Generator und ein elektrisches Heizelement einer Nachbehandlungsvorrichtung, insbesondere einer Nachbehandlungskatalysatorvorrichtung, beispielsweise das Heizelement eines Katalysatorkörpers eines Systems für selektive katalytische Reduktion (selective catalytic reduction - SCR). Die Leistungszufuhr des elektrischen Heizelements wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) eingestellt. Dieses PWM wird zum Regeln der Leistung des Heizelements verwendet, bevorzugt auf einen konstanten Wert und insbesondere auf einen konstanten (oder vorgegebenen) Wert bei variierenden Versorgungsspannungen. Der Betriebszyklus kann als die Dauer eines EIN-Pulses zu der Dauer einer vollständigen Periode der PWM definiert werden.
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Um eine aus der Reaktion der Generatorregelung resultierende Welligkeit zu reduzieren oder auszulöschen, folgt die Generatorregelung nicht jeder negativen oder positiven Spitze (d. h. Spannungseinbruch oder Spannungsanstieg), die aufgrund der PWM auftritt.
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Stattdessen führt der Generator eine im Wesentlichen konstante Regelung über eine Vielzahl von Betriebszyklen durch, d. h. eine Vielzahl von Spitzen, die sich aus der PWM ergeben. Mit anderen Worten ignoriert die Generatorregelung die Spannungsvariationen, die sich aus der PWM ergeben. Dies wird ausgeführt, indem ein mindestens teilweise konstantes Erzeugungsniveau (erzeugter Strom, erzeugte Leistung, erzeugte Spannung oder ein magnetisches Anregungsniveau in dem Generator) über eine Zeitperiode von mehr als einem Betriebszyklus (d. h. eine Vielzahl von Betriebszyklen) eingestellt wird.
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Die Leistung, die dem elektrischen Heizelement zugeführt wird, wird durch PWM eingestellt. Dies führt zu Spannungsspitzen in dem Netz. Die Leistungserzeugung des Generators wird durch Einstellen einer im Wesentlichen konstanten Leistung an eine Aktivierung des Heizelements (d. h. an Auftreten von PWM des Heizelements) angepasst. Insbesondere wird die Leistungserzeugung des Generators an den Betriebszyklus der PWM (die in aktiven Perioden der Heizung auftritt) angepasst. Die Leistungserzeugung wird an die durch das Heizelement aufgenommene (durchschnittliche) Leistung durch eine erhöhte Leistung (entsprechend der für das Heizelement aufgenommenen oder eingestellten Leistung) angepasst. Die Leistungserzeugung oder der Leistungsarbeitspunkt des Generators ist über eine Vielzahl von Pulsweitenmodulationsperioden der PWM hinweg im Wesentlichen konstant. Die Leistungserzeugung des Generators wird durch einen Arbeitspunkt (insbesondere eine erhöhte Leistung), der über eine Vielzahl von Pulsweitenmodulationsperioden der PWM hinweg im Wesentlichen konstant ist, an den Betriebszyklus der PWM (oder Heizleistung der Heizung) angepasst. Indem man angesichts der PWM (eines aktivierten Heizelements) über eine im Wesentlichen konstante Generatorregelung verfügt, wird die Generatorregelung wesentlich geglättet und die Welligkeit, die aus der Generatorregelungsreaktion auf ein aktiviertes Heizelement resultiert, wird verringert. Insbesondere wird die Belastung eines Akkus innerhalb des Netzes durch Reduzieren der Welligkeit reduziert.
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In diesem Kontext kann „im Wesentlichen konstant“ eine streng konstante Leistungseinstellung für einen Zeitraum (der eine Vielzahl von PWM-Pulsen überspannt) sein oder eine Leistungseinstellung, die Spannungsvariationen folgt, die durch andere Komponenten des Netzes eingeführt werden, die insbesondere eine geringere Zunahme- oder Abnahmerate als die PWM aufweisen. Eine Variation von 10% oder 50% des vollständigen Dynamikbereichs innerhalb von mindestens 1 ms kann als im Wesentlichen konstant betrachtet werden. „Im Wesentlichen konstant“ sollte angesichts der schnellen Änderungen der Flanken einer PWM interpretiert werden und wird als eine Änderung mit einer Rate von weniger als 10% oder 1 % der Änderungsrate der PWM betrachtet. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Leistungserzeugung des Generators (zusätzlich) an eine Ladeleistung eines Akkus innerhalb des Stromversorgungsnetzes angepasst. Zusätzlich oder alternativ wird sie an Leistungszuführungsänderungen von mindestens einer weiteren Last oder Komponente innerhalb des Stromversorgungsnetzes angepasst. Somit werden Spannungsvariationen aufgrund des Betriebs eines Akkus oder anderer Komponenten innerhalb des Netzes auch durch den Generator abgedeckt, insbesondere durch eine Zunahme oder Abnahme der Generatorleistung, die die Spannungsvariationen kompensiert, die sich durch den Akku oder andere Komponenten ergeben. Dies erlaubt eine Anpassung der Generatorleistung an den Betrieb anderer Komponenten (Akku oder weitere Komponenten) innerhalb des Netzes, gleichzeitig mit der Anpassung an die PWM durch Erhöhung der konstanten Leistung. Die Netzspannung wird angesichts von Variationen, die durch andere Komponenten verursacht werden, stabilisiert, zusätzlich zu der erhöhten konstanten Leistung, die die PWM des Heizelements kompensiert.
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Dies unterscheidet sich von einem Regelungsverfahren, in dem alle Spannungsabsenkungen zu einer Reaktion einer vollständigen Kompensation dieses Einbruchs führen. Vielmehr wird nicht jeder Spannungseinbruch einzeln kompensiert, so dass keine (oder eine reduzierte) Reaktion auf EIN-Perioden der PWM des Heizelements durch den Generator durchgeführt werden. Durch Reduzieren der Dynamik der Generatorregelungsreaktion werden der Grad und die Dynamik der Regelvariationen des Generators signifikant reduziert, was den Betrieb der Generatorregelung glättet.
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Im Falle eines aktivierten Heizelements (d. h. auftretende PWM) wird die Leistungserzeugung des Generators nicht gemäß dem 100%-Anstieg der ansteigenden PWM-Flanke erhöht, sondern um einen Wert, der einem (bevorzugt konstanten) Leistungsarbeitspunkt der Heizung entspricht. Bevorzugt entspricht die erhöhte Leistung der Leistungserzeugung dem Betriebszyklus der PWM Insbesondere ist die Erhöhung der Leistungserzeugung in einem ersten Betriebszyklus (einer ersten Aktivierungsperiode) höher als die Erhöhung in einem zweiten Betriebszyklus (einer weiteren Aktivierungsperiode), niedriger als der erste Betriebszyklus. Ein erster Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Erhöhung der konstanten Leistung teilweise oder vollständig die erhöhte Leistungsabforderung aufgrund der dem elektrischen Heizelement zugeführten Leistung kompensiert. Auf diese Weise wird die Leistungsabforderung des Heizelements durch die Erhöhung eines konstanten Niveaus ausgeglichen, so dass der Generator die Spannungsvariationen aufgrund der PWM nicht in einem separaten, hochdynamischen Regelprozess berücksichtigen muss.
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Die Entität, die das elektrische Heizelement regelt, kann zum Übertragen eines entsprechenden Signals (das den Betriebszyklus oder die Leistung wiedergibt) an die Generatorregelung eingerichtet sein, so dass die Generatorregelung ihre Reaktion auf eine Heizelement-PWM, d. h. eine Aktivierung des Heizelements, anpassen kann.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung deckt das erhöhte, konstante Leistungsniveau sowohl ansteigende Flanken als auch abfallende Flanken der PWM ab.
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Bevorzugt ist die erhöhte Leistung im Wesentlichen über eine vollständige aktive Phase des elektrischen Heizelements konstant. Somit gibt es eine Erhöhung, die bis zum Ende der aktuellen aktiven Phase konstant ist. Dementsprechend ist die Erhöhung konstant, bis die PWM-Phase endet.
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Die der PWM zugehörige erhöhte Leistung kann an einen vorgegebenen, gewünschten Zustand einer Ladungsvariation eines Akkus innerhalb des Netzes angepasst werden, beispielsweise an einen Zustand einer Ladungsvariation von 0 oder einen anderen vorgegebenen positiven oder negativen Wert. Somit kann ein Inkrement der Leistungserzeugung aufgrund der PWM des Heizelements derart sein, dass der Ladezustand nach der Aktivierung des Heizelements (d. h. die PWM-Phase) derselbe ist wie vor der Aktivierung des Heizelements oder höher oder niedriger ist, gemäß einer gewünschten Erhöhung oder Absenkung des Ladezustands. Beispielsweise kann die Ladezustandsvariation (d. h. Erhöhung oder Absenkung des Ladezustands) positiv sein, falls der Ladezustand unter einer gewissen Grenze liegt, oder kann negativ sein, falls der Ladezustand der Batterie größer als eine weitere Grenze ist. Dies wird bevorzugt ausgeführt, indem der Wirkungsgrad und/oder die Verluste des Batterielade- und -entladeprozesses berücksichtigt werden. Somit wird die Leistungserzeugung des Generators an einen Ziel-Ladezustand des Akkus angepasst.
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Die Zielsetzung dieser Regelung besteht darin, das Batterieentladen und -laden so auszubalancieren, dass der Ladezustand (state of charge - SOC) der Batterie zu Beginn der Katalysatoraufheizphase mit dem SOC am Ende der Aufheizphase identisch ist. Selbstverständlich kann eine SOC-Differenz angegeben werden, um die der SOC zu Beginn einer Aufheizphase von dem SOC am Ende der Aufheizphase abweicht. Das Ende der Aufheizphase ist erreicht, wenn der Katalysator eine gewisse Temperatur angenommen hat oder eine gewisse Menge an elektrischer Energie in Wärme umgewandelt hat, um einen gewissen Betriebspunkt des Katalysators zu erreichen.
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Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass, wenn der Aufheizprozess gestartet wird, die erste Ein-Phase der PWM gestartet wird, nachdem der Generator seine Produktion elektrischer Energie gestartet hat. Dies kann über eine gewisse Regelung ausgeführt werden und, insbesondere, durch „Präparieren“ des Generators, bevor die PWM startet. Dementsprechend wird ein zugehöriges Signal an die Heizelementregelung gesendet. Dies ermöglicht es, den Batterieentladestrom beginnend mit dem ersten Ein-Zyklus der PWM zu begrenzen. Insbesondere wird die Leistungserzeugung des Generators vor dem Start einer aktiven Periode des elektrischen Heizelements (z. B. vor der ersten ansteigenden Flanke des Betriebszyklus einer aktiven Periode) erhöht. Die Leistungserzeugung des Generators wird bevorzugt um ein Inkrement erhöht, das dem PWM-Betriebszyklus entspricht. Dies ermöglicht es, die Generatorregelung von der ersten Modulationsperiode des Heizelements an anzupassen. Auf diese Weise wird die Generatorregelung vor dem Start der Heizelement-PWM präpariert. Dies kann ausgeführt werden, indem ein zugehöriges Signal oder zugehörige Informationen vorab an die Generatorregelung übertragen wird bzw. werden, insbesondere bevor die PWM des Heizelements startet (d. h. bevor die aktive Periode des elektrischen Heizelements startet). Diese Informationen oder dieses Signal können (geplante, insbesondere konstante) Heizleistung und/oder den (geplanten) Betriebszyklus und/oder einen Aktivierungszeitpunkt des Heizelements enthalten. Mit anderen Worten wird die Erhöhung auf konstante Leistung vor Beginnen einer aktiven Phase des elektrischen Heizelements, d. h. vor der ersten Flanke der PWM, initiiert oder ausgeführt. Dies wird bevorzugt unter Verwendung eines Signals oder einer Daten-/Informationsübertragung realisiert, so wie es hier angegeben ist.
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Das Verfahren kann durch Regelentitäten ausgeführt werden. Eine erste Regelentität, die das Heizelement regelt, überträgt ein Signal, das den Betriebszyklus wiedergibt, an eine zweite Regelentität. Die zweite Regelentität regelt den Generator. Die zweite Regelentität kann als eine Generatorregelung realisiert werden, wobei die erste Regelentität als eine Heizelementregelung realisiert ist. Diese Entitäten können als eigenständige Vorrichtungen realisiert werden oder können durch eine gemeinsame Regelvorrichtung realisiert werden, beispielsweise die Vorrichtung, auf welcher eine Heizelementregelung und eine Generatorregelung in Software realisiert sind. Ein(e) Fahrzeugenergiemanagement (Vorrichtung) kann vorgesehen sein, das (die) den Generator regelt. Ferner kann eine Katalysatorheizfunktionalität durch eine Regelvorrichtung realisiert werden, insbesondere eine Regelvorrichtung, die ein Heizelement-Subsystem befehligt. Eine Datenverbindung zwischen der Katalysatorheizfunktionalität und dem Fahrzeugenergiemanagement kann vorgesehen sein, insbesondere durch Übertragen von Daten, die den Aufheizprozess (Betriebszyklus) wiedergeben, d. h. die Heizungsregelung, an das Fahrzeugenergiemanagement, d. h. an eine Vorrichtung, die den Generator regelt.
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Bevorzugt sendet die erste Regelentität vor der ersten ansteigenden Flanke des Betriebszyklus zum Start einer aktiven Periode des elektrischen Heizelements ein Präparationssignal an die zweite Entität. Das Präparationssignal signalisiert einen unmittelbar bevorstehenden Start der aktiven Periode. Das Präparationssignal kann Informationen hinsichtlich des Betriebszyklus enthalten. Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Präparationssignal Informationen enthalten, die die Zeit des Auftretens der ersten ansteigenden Flanke der unmittelbar bevorstehenden aktiven Periode oder der Startzeit der Aktivierung des Heizelements wiedergeben. Auf diese Weise erlaubt es das Signal, die Generatorregelung gemäß der folgenden Aktivierung der Heizelementregelung zu präparieren. Insbesondere erlaubt dies, die Generatorregelung gemäß dem Betriebszyklus und/oder dem Heizleistungsarbeitspunkt, gemäß dem das Heizelement im Folgenden (d. h. dem unmittelbar bevorstehenden Start einer Aufheizphase) geregelt werden wird, zu präparieren.
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Ferner kann dieses Verfahren durch eine Vorrichtung implementiert werden, die einen Generator eines Automobilstromversorgungsnetzes sowie ein elektrisches Heizelement innerhalb des Netzes regelt, wobei das Heizelement zu einer Nachbehandlungsvorrichtung gehört. Diese Vorrichtung umfasst eine Generatorregelung, die eingerichtet ist zum Regeln des Generators, und eine Heizelementregelung, die eingerichtet ist zum Regeln des Heizelements durch PWM. Die Vorrichtung umfasst eine Datenverbindung, die eingerichtet ist zum Übertragen eines Signals oder von Informationen von der Heizelementregelung an die Generatorregelung. Die Heizelementregelung ist eine Regelvorrichtung, die insbesondere eingerichtet ist zum Regeln des Heizelements durch Pulsweitenmodulation. Die Generatorregelung ist durch eine Generatorregelungsvorrichtung vorgesehen. Die Datenverbindung kann als eine physische Leitung (oder eine Datenverbindungsstrecke) zwischen beiden Vorrichtungen vorgesehen sein. Alternativ kann der Datenverbindung, im Falle, dass die Generatorregelung und die Heizelementregelung in einer gemeinsamen Regelvorrichtung realisiert sind, eine Parameterübergabe zwischen Softwareteilen zugeführt werden, von denen eines die Generatorregelung implementiert und ein weiteres die Heizelementregelung implementiert.
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Die dem Heizelement während einer aktiven Phase des Heizelements zugeführte Leistung zumindest innerhalb eines Spannungsbereichs des Stromversorgungsnetzes konstant. Somit wird die Heizleistung bei variierenden Versorgungsspannungen, die innerhalb des vorgegebenen Spannungsbereichs liegen, konstant gehalten. Falls die Versorgungsspannung unter der Untergrenze des vorgegebenen Spannungsbereichs liegt, kann dem Heizelement nur eine reduzierte Leistung zugeführt werden. Innerhalb des Spannungsbereichs wird der Betriebszyklus gemäß einer aktuellen Betriebsspannung und gemäß einer vorgegebenen konstanten Leistung des Heizelements angepasst. Insbesondere wird die Leistung innerhalb des Spannungsbereichs durch Anpassen des Betriebszyklus der PWM konstant gehalten. Die Untergrenze des Spannungsbereichs kann einem Betriebszyklus von 100% entsprechen. Mit zunehmender Spannung (beginnend mit der Untergrenze) wird der Betriebszyklus reduziert, um die vorgegebene, konstante Leistung aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise wird der Betriebszyklus variiert, um sich an Änderungen der Versorgungsspannung anzupassen, um eine konstante Heizleistung zu halten (für Spannungen innerhalb des Spannungsbereichs). Dies ermöglicht es, die Heizung an Stromversorgungen mit hohen Spannungen anzupassen und gleichzeitig ein gewünschtes Heizleistungsniveau zu halten.