DE102021209529A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators eines hybriden Antriebsstrangs eines Fahrzeugs - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators eines hybriden Antriebsstrangs eines Fahrzeugs Download PDF

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Thomas Haug
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190) eines hybriden Antriebsstrangs (110) eines Fahrzeugs (100), wobei ein Abgassystem (180) der Brennkraftmaschine (120) den elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator (190) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Betreiben des hybriden Antriebsstrangs (110) mit einem Elektromotor (140) allein;
- Ermitteln eines prädizierten Vorheizleistungsverlaufs und einer prädizierten Vorheizzeit des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190);
- Ermitteln einer verfügbaren elektrischen Maximalleistung;
- Ermitteln einer prädizierten für den Elektromotor (140) verfügbaren elektrischen Maximalleistung während eines Vorheizvorgangs des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190);
- Vergleichen des prädizierten für den Elektromotor (140) verfügbaren elektrischen Maximalleistung mit einer für den Elektromotor (140) geforderten Leistung und Beginnen des Vorheizens des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190), wenn die für den Elektromotor (140) geforderte Leistung die prädizierte für den Elektromotor (140) verfügbare Maximalleistung überschreitet.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators eines hybriden Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, wobei der hybride Antriebsstrang als Antrieb eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor, der von einem Akkumulator mit elektrischer Energie versorgt wird, aufweist. Die Brennkraftmaschine weist weiter ein Abgassystem auf, welches den elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator aufweist. Mittels des Abgassystems wird Abgas aus der Brennkraftmaschine nachbehandelt und abgeleitet.
  • Elektrisch beheizbare Abgaskatalysatoren (E-Kats) werden zunehmend in Fahrzeugen mit einem hybriden Antriebsstrang eingesetzt. Hierbei kann bspw. das Hybridfahrzeug ein 48-Volt-Mild-Hybrid oder ein Plug-In-Hybrid mit Hochspannung sein. Derartige elektrisch beheizbare Abgaskatalysatoren dienen insbesondere dazu, um Kaltstartemissionen der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Je nach Strategie für eine Emissionsreduzierung kann dies ein Vorheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators vor dem Start der Brennkraftmaschine beinhalten, da sonst im Allgemeinen während des Startens der Brennkraftmaschine und während der Aufheizphase des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators wesentlich höhere Schadstoffemissionen an die Umwelt gelangen können als bei einem Start der Brennkraftmaschine mit betriebswarmem Abgaskatalysator entstehen würden.
  • In Vollhybrid-Anwendungen (Hochspannung oder ggf. 48 Volt) ist ein elektrischer Fahrmodus möglich, in welchem das Fahrzeug mit der in einem Akkumulator gespeicherten Energie alleine betrieben wird, wobei die Brennkraftmaschine stillsteht bzw. lediglich mitgeschleppt wird. Aufgrund einer möglichen begrenzten Größe des Elektromotors, und/oder einer begrenzten Größe einer Batterieleistung bzw. einer Batterieleistungsbeschänkung ist dieser elektrische Fahrmodus herkömmlich auf niedrige Leistungsanforderungen in Hybridanwendungen beschränkt. Im Betriebsfall, dass allerdings die komplette Fahrstrecke rein elektrisch gefahren werden kann, ist es entsprechend nicht notwendig, den in dem Abgassystem vorhandenen elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator vorzuheizen, da dies nur einen zusätzlichen Energieverbrauch bedeuten würde. Auf der anderen Seite kann das Vermeiden eines Vorheizens des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators vor einem notwendigen Start der Brennkraftmaschine zu unerwünscht erhöhten Kaltstartemissionen führen, wenn der Start der Brennkraftmaschine trotzdem notwendig wird.
  • Bei einem unnötigen Vorheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators kommt es dementsprechend zu Energieverlusten, die ggf. vermeidbar gewesen wären. Zudem kann es bei einem Start der Brennkraftmaschine, während welcher der elektrisch beheizbare Abgaskatalysator noch nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat, zu Kaltstartemissionen kommen, die ggf. ebenso vermeidbar wären.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem bzw. mit der ein vorteilhaftes Betreiben eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators eines hybriden Antriebsstrangs möglich wird, sodass unnötige Kaltstartemissionen möglichst vermieden werden und gleichzeitig Energieverluste aufgrund eines unnötigen Vorheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators möglichst vermieden werden.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren bzw. die Vorrichtung aufweisend die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators eines hybriden Antriebsstrangs eines Fahrzeugs die nachfolgend aufgezählten Schritte auf. Der hybride Antriebsstrang weist als Antrieb für das Fahrzeug eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor auf, wobei der Elektromotor von einem Akkumulator (ein wiederaufladbares galvanisches Element) mit elektrischer Energie versorgt wird. Als Antrieb kann die Brennkraftmaschine alleine, der Elektromotor alleine oder eine Kombination aus der Brennkraftmaschine und des Elektromotors für das Fahrzeug herangezogen werden. Die Brennkraftmaschine weist ein Abgassystem auf, das den elektrisch beheizten Abgaskatalysator aufweist. Das Abgassystem dient dazu, Abgas aus der Brennkraftmaschine nachzubehandeln, Emissionen zu reduzieren und das nachbehandelte Abgas anschließend an die Umwelt abzugeben. Der elektrisch beheizbare Abgaskatalysator dient dazu, Emissionen in dem Abgas zu reduzieren. Damit dies vorteilhaft realisiert werden kann, weist er gemäß einer Ausführungsform bspw. eine Heizscheibe auf, die mit elektrischer Energie versorgt werden kann, um den elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator auf die gewünschte Betriebstemperatur vorzuheizen bzw. den Aufheizvorgang des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators zu beschleunigen. Die Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Offenbarung sind:
    • - Betreiben des hybriden Antriebsstrangs mit dem Elektromotor alleine. Das Verfahren verlangt dementsprechend zunächst, dass der hybride Antriebsstrang des Fahrzeugs mit dem Elektromotor alleine betrieben wird. Die Brennkraftmaschine wird in diesem elektrischen Fahrmodus mitgeschleppt oder steht still. Das Fahrzeug wird dementsprechend alleine durch den Elektromotor betrieben bzw. bewegt.
    • - Ermitteln eines prädizierten Vorheizleistungsverlaufs und einer prädizierten Vorheizzeit des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators, die notwendig sind, um bei einem Start der Brennkraftmaschine vordefinierte Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Die prädizierte Vorheizzeit ist demgemäß jene Zeit, die benötigt wird, um den elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator auf eine gewünschte Betriebstemperatur zu heizen, sodass die vordefinierten Emissionsgrenzwerte (z.B.: Kaltstartemissionsgrenzwerte) bei einem Start der Brennkraftmaschine eingehalten werden können. Unterscheiden sich bspw. die Emissionsgrenzwerte an unterschiedlichen Betriebsorten des Fahrzeugs würde dementsprechend auch die prädizierte Vorheizzeit in Abhängigkeit davon abweichen. Zudem wird der prädizierte Vorheizleistungsverlauf ermittelt, also jener Verlauf der elektrische Leistung, die dem elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator bereitgestellt werden muss, um den elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator auf jene Temperatur zu bringen, sodass die vordefinierten Emissionsgrenzwerte eingehalten werden können, wenn ein Start der Brennkraftmaschine erfolgen soll. Der prädizierte elektrische Vorheizleistungsverlauf und die prädizierte Vorheizzeit des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators hängen dementsprechend miteinander in Verbindung und definieren das Aufheizverhalten des elektrisch beheizten Abgaskatalysators.
    • - Ermitteln einer verfügbaren elektrischen Maximalleistung, die der Akkumulator für eine Mindestzeit kontinuierlich bereitstellen kann, welche größer oder gleich der prädizierten Vorheizzeit ist. Die verfügbare elektrische Maximalleistung wird dementsprechend anhand der Mindestzeit bestimmt, wobei die Mindestzeit größer oder gleich der prädizierten Vorheizzeit ist. Die verfügbare elektrische Maximalleistung, die der Akkumulator liefern kann, wird demgemäß in Abhängigkeit der prädizierten Vorheizzeit ermittelt, die notwendig ist, um bei einem Start der Brennkraftmaschine vordefinierte Emissionsgrenzwerten einhalten zu können.
    • - Ermitteln einer prädizierten, für den Elektromotor verfügbaren elektrischen Maximalleistung während eines Vorheizvorgangs des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators, in dem die verfügbare elektrische Maximalleistung des Akkumulators um die prädizierte maximale Vorheizleistung des Vorheizleistungsverlaufs des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators reduziert wird. In anderen Worten, es wird jene elektrische Maximalleistung ermittelt, die für den Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs verbleibt, in dem die verfügbare elektrische Maximalleistung des Akkumulators, um die maximale Vorheizleistung des Vorheizleistungsverlaufs des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators, also jene elektrische Leistung, die ggf. benötigt wird, um den elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator auf die gewünschte Temperatur zu bringen, reduziert.
    • - Vergleichen des prädizierten für den Elektromotor verfügbaren elektrischen Maximalleistung mit einer für den Elektromotor geforderten Leistung und Beginnen des Vorheizens des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators, wenn die für den Elektromotor geforderte Leistung die prädizierte für den Elektromotor verfügbare Maximalleistung überschreitet. Die geforderte Leistung ist jene Leistung, welche beispielsweise ein Fahrer zum Betrieb des Fahrzeugs dem Antriebsstrang abverlangt, welche also der Elektromotor für den Fahrzeugantrieb bereitstellen muss. Sobald die geforderte Leistung die für den Elektromotor verfügbare elektrische Maximalleistung übersteigt, wird mit dem Vorheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators begonnen.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird demgemäß der notwendig Zeitpunkt ermittelt, welcher notwendig ist, um das Vorheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators mittels einer Prädiktion zu beginnen, wobei die verfügbare elektrische Maximalleistung des Akkumulators und die verfügbare elektrische Maximalleistung des Elektromotors für einen Zeitbereich betrachtet werden, welcher notwendig ist, um die Vorheizzeit des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators abzudecken.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann demgemäß ein ausreichend langer Vorheizvorgang des elektrisch beheizten Abgaskatalysators durchgeführt werden, um bei einem anschließenden Start der Brennkraftmaschine die geforderten Emissionsgrenzwerte einhalten zu können. Gleichzeitig wird ein unnötiges Aufheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators aufgrund des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung verhindert. Ohne Anwendung des vorgenannten Verfahrens kann es zu einem zu späten Beginn des Vorheizens des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators kommen, sodass die abnehmende verfügbare elektrische Maximalleistung des Akkumulators den Bedarf für Fahren, Vorheizen und evtl. zusätzliche Verbraucher unterschreitet, bevor das Vorheizen beendet ist, sodass entweder das von dem Elektromotor erzeugte Drehmoment gegenüber einem geforderten Drehmoment reduziert werden muss oder ein vorzeitiger Start der Brennkraftmaschine mit erhöhten Kaltstartemissionen erforderlich wird. Ein zu früher Beginn des Vorheizens führt andernfalls dazu, dass ein zu hoher Energieverbrauch für unnötiges Vorheizen und ggf. Warmhalten des elektrisch beheizten Abgaskatalysators notwendig wird. Durch die möglichst genaue Ermittlung des Zeitpunkts für den notwendigen Beginn des Vorheizens gemäß vorliegender Offenbarung, indem die prädizierte für den Elektromotor verfügbare elektrische Maximalleistung mit der für den Elektromotor geforderten Leistung verglichen wird, kann dementsprechend ein Optimum aus geringem Energieverbrauch und geringer Schadstoffemission ohne Einschränkungen hinsichtlich der Fahrbarkeit realisiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird die prädizierte, für den Elektromotor verfügbaren elektrischen Maximalleistung in ein prädiziertes für den Elektromotor verfügbares maximales Maschinendrehmoment umgerechnet. Die prädizierte, für den Elektromotor verfügbare elektrische Maximalleistung aus dem Akkumulator wird in diesem Verfahrensschritt in das prädizierte für den Elektromotor verfügbare maximale Maschinendrehmoment umgerechnet, welches der Elektromotor für die prädizierte elektrische Vorheizzeit kontinuierlich bereitstellen kann. Die Umrechnung erfolgt bspw. mittels entsprechender bekannter Parameter der Komponenten. Anschließend wird gemäß dieser Ausführungsform das prädizierte für den Elektromotor verfügbare maximale Maschinendrehmoment mit einem geforderten Maschinendrehmoment des Elektromotors verglichen und mit dem Vorheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators wird begonnen, wenn das geforderte Maschinendrehmoment des Elektromotors das prädizierte verfügbare maximale Maschinendrehmoment des Elektromotors überschreitet.
  • Das geforderte Maschinendrehmoment ist jenes, welches bspw. von einem Fahrer des Fahrzeugs im Betrieb des Fahrzeugs gefordert wird. Übersteigt das geforderte Maschinendrehmoment das prädizierte verfügbare maximale Maschinendrehmoment, wird das Vorheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators eingeleitet, sodass der elektrisch beheizbare Abgaskatalysator die gewünschte Betriebstemperatur aufweist, sodass die vordefinierten Emissionsgrenzwerte eingehalten werden können, wenn aufgrund des Startens der Brennkraftmaschine die Kaltstartemissionen in dem elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator nachbehandelt werden können. Nach dem Ende der Vorheizphase ist gemäß dieser Ausführungsform ein emissionsarmer Start der Brennkraftmaschinen möglich, um den Betrieb des hybriden Antriebsstrangs wie bspw. von dem Fahrer gewünscht, darstellen zu können. Der Vergleich der Maschinendrehmomente ist vorteilhaft einfach und in besonders zuverlässiger Weise möglich.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird die Umrechnung der prädizierten für den Elektromotor verfügbaren elektrischen Maximalleistung in das prädizierte verfügbare maximale Maschinendrehmoment des Elektromotors mittels eines Modells des Elektromotors durchgeführt, wobei das Modell die aktuelle Drehzahl des Elektromotors und/oder eine prädizierte Drehzahl des Elektromotors heranzieht. Gemäß dieser Ausführungsform wird dementsprechend die aktuelle Drehzahl, also die aktuelle Betriebsart/Fahrweise des Fahrzeugs mit dem Elektromotor bei der Berechnung des prädizierten verfügbaren maximalen Maschinendrehmoments berücksichtigt. Zudem kann gemäß dieser Ausführungsform auch eine prädizierte Drehzahl des Elektromotors berücksichtigt werden, also eine Drehzahl, welche in Zukunft zu erwarten ist. Die erwartete prädizierte Drehzahl kann dementsprechend auch Topologiedaten, Daten aus dem Navigationssystem und weitere Fahrzeugdaten berücksichtigen, sodass insgesamt das Verfahren zusätzlich genau wird und die Emissionen bei einem notwendigen Start der Brennkraftmaschine vorteilhaft genau reduziert werden können und gleichzeitig nicht unnötig lange der elektrisch beheizbare Abgaskatalysator aufgeheizt bzw. warmgehalten werden muss.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird das prädiziertes für den Elektromotor verfügbare maximale Maschinendrehmoment auf ein limitiertes verfügbares Maschinendrehmoment limitiert, welches der Elektromotor bei einer aktuellen Drehzahl mindestens für die prädizierte Vorheizzeit bereitstellen kann, wobei das limitierte verfügbare Maschinendrehmoment mit dem geforderten Maschinendrehmoment des Elektromotors verglichen wird. Die Ermittlung einer solchen Limitierung erfolgt gemäß einer Ausführungsform innerhalb einer Regelungseinheit des Elektromotors, da sie gemäß einer Ausführungsform von inneren Zuständen des Elektromotors (z.B.: einer Temperatur) abhängen können. Die Limitierung berücksichtigt die aktuelle Drehzahl des Elektromotors und dementsprechend das aktuelle Fahrverhalten bzw. den aktuellen Fahrbetrieb des Fahrzeugs, wodurch das Verfahren weiter vorteilhaft zuverlässig und robust ausgeführt werden kann. Die Ermittlung solcher Limitierungen erfolgt gemäß einer Ausführungsform innerhalb einer Regelungseinheit des Elektromotors, das von inneren Zuständen des Elektromotors abhängt. Mittels der Limitierung kann dementsprechend berücksichtigt werden, sodass während der Aufheizphase des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators das Fahren des Fahrzeugs wie gewünscht von dem Elektromotor bei gleichzeitigem Aufheizen des elektrisch beheizten Abgaskatalysators realisiert werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform wir das ermittelte, prädizierte verfügbare maximale Maschinendrehmoment des Elektromotors um ein vordefiniertes Reservedrehmoment reduziert. Das vordefinierte Reservedrehmoment kann auch ein Betrag bzw. ein Prozentsatz des ermittelten prädizierten verfügbaren maximalen Maschinendrehmoments sein. Dementsprechend wird gemäß dieser Ausführungsform die Sicherheit erhöht, dass das Fahrzeug bis zum geplanten Start der Brennkraftmaschine lediglich mit dem Elektromotor betrieben werden kann und der elektrisch beheizbare Abgaskatalysator dann beim Start die gewünschte Betriebstemperatur aufweist. Gemäß einer Ausführungsform wird das ermittelte prädizierte für den Elektromotor verfügbare maximale Maschinendrehmoment um das vordefinierte Reservedrehmoment reduziert, wobei das vordefinierte Reservedrehmoment eine Erhöhung des erwarteten Maschinendrehmoments aufgrund einer gewünschten Beschleunigung des Fahrers berücksichtigt.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird bei der Ermittlung des prädizierten Vorheizleistungsverlaufs und der prädizierten Vorheizzeit des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators eine gemessene und/oder modellierte Temperatur in dem elektrisch beheizten Abgaskatalysator berücksichtigt. Gemäß dieser Ausführungsform wird dementsprechend eine gemessene und/oder modellierte Temperatur, die in dem elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator vorherrscht, berücksichtigt. Weist bspw. der elektrisch beheizbare Abgaskatalysator eine höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur bspw. aufgrund eines vorangegangenen Betriebs der Brennkraftmaschine auf, ist dementsprechend die prädizierte Vorheizzeit zum Aufheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators auf dessen Betriebstemperatur entsprechend geringer. Wenn dies berücksichtigt wird, kann dementsprechend wiederum elektrische Energie zur Aufheizung des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators eingespart werden und gleichzeitig die gewünschte Temperatur des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators realisiert werden, um Emissionen bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine vorteilhaft reduzieren zu können. Die Temperatur, welche in dem elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator vorherrscht, kann einerseits mittels eines Temperatursensors gemessen werden, der unmittelbar in dem elektrisch beheizten Abgaskatalysator angeordnet ist oder sie kann mittels eines Modells, welches bspw. die Umgebungstemperatur, die Betriebsart des Fahrzeugs, die Betriebsart der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs und entsprechend den Gesamtbetrieb des hybriden Antriebsstrang berücksichtigt, ermittelt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden bei der Ermittlung der verfügbaren elektrischen Maximalleistung, die der Akkumulator für die Mindestzeit kontinuierlich liefern kann, innere Zustände des Akkumulators berücksichtigt. Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Mindestzeit bspw. 20 Sekunden und dementsprechend wird die verfügbare elektrische Maximalleistung für die nächsten 20 Sekunden ermittelt. Die Ermittlung dieser Leistung ist herkömmlich die Aufgabe eines Batteriemanagementsystems (BMS), das wiederum diese Leistung in Abhängigkeit von inneren Zuständen der Batterie ermittelt. Derartige innere Zustände können bspw. eine Temperatur oder eine Alterung des Akkumulators berücksichtigen.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird die prädizierte, für den Elektromotor verfügbare elektrische Maximalleistung um einen Verbrauch für elektrische Zusatzverbraucher, die während einer Heizphase des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators aktiviert bleiben, reduziert. Ist in dem Fahrzeug bspw. während des Betriebs im Elektromodus auch die Klimaanlage oder zusätzliche Verbrauche aktiviert, kann gemäß dieser Ausführungsform dementsprechend die prädizierte, für den Elektromotor verfügbare elektrische Maximalleistung für bspw. die nächsten 20 Sekunden, auch um jenen Verbrauch reduziert werden, welcher für derartige elektrische Zusatzverbraucher herangezogen werden muss. Dementsprechend kann es verhindert werden, dass bei einem Aufheizen des elektrisch beheizten Abgaskatalysators ein verfrühter Start der Brennkraftmaschine notwendig wird, da der Akkumulator einen Mindestladezustand unterschreitet, der nicht mehr ausreicht, um den elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator auf die notwendige Betriebstemperatur vorzuheizen. Dementsprechend kann gemäß dieser Ausführungsform das Verfahren zusätzlich robuster und genauer in Abhängigkeit von dem Einschalt- bzw. Ausschaltzustand der zusätzlichen elektrischen Verbraucher realisiert werden, wodurch das Verfahren vorteilhaft robust und zuverlässig wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden Verbraucher des Fahrzeugs vorübergehend während der Vorheizphase des elektrisch beheizten Abgaskatalysators abgeschaltet, damit die geforderte Leistung bzw. das geforderte Maschinendrehmoment des Elektromotors über die geforderte prädizierte Vorheizzeit bereitgestellt werden kann. In anderen Worten werden Zusatzverbrauche in dem Fahrzeug gleichzeitig mit dem Start des Vorheizens des elektrisch beheizten Abgaskatalysators oder nach dem Start des Vorheizen des elektrisch beheizten Abgaskatalysators ausgeschaltet, um eine zusätzliche Reserve des Akkumulators zu realisieren, sodass die Betriebstemperatur des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators vor dem Start der Brennkraftmaschine vorteilhaft zuverlässig erreicht werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren kontinuierlich während des Betriebs des hybriden Antriebsstrangs durchgeführt. Gemäß dieser Ausführungsform wird dementsprechend kontinuierlich während des Betriebs des hybriden Antriebsstrangs mit dem Elektromotor alleine überprüft, ob ein Zuschalten der Brennkraftmaschine bevorsteht bzw. ob dementsprechend ein Aufheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators notwendig wird. Gemäß dieser Ausführungsform kann eine kontinuierliche Überwachung und entsprechend eine kontinuierliche Reduktion von Kaltstartemissionen der Brennkraftmaschine realisiert werden, wobei gleichzeitig ein unnötiges Aufheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators verhindert werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird die Durchführung des Verfahrens durch die vorliegende Offenbarung erst dann eingeleitet, sobald während des Betriebs des hybriden Antriebsstrangs ein Ladezustand des Akkumulators einen vordefinierten Ladezustand unterschreitet. In anderen Worten, das Verfahren wird erst dann eingeleitet, wenn es potentiell notwendig wird, dass die Brennkraftmaschine des hybriden Antriebsstrangs gestartet wird. Weist bspw. der Ladezustand des Akkumulators einen derart hohen Wert auf, dass in den nächsten Sekunden oder wenigen Minuten bspw. ein Start der Brennkraftmaschine unnötig bzw. unwahrscheinlich ist, kann dementsprechend auf die Durchführung des Verfahrens verzichtet werden. Sobald allerdings der Ladezustand des Akkumulators den vordefinierten Ladezustand unterschreitet, wird das Verfahren ausgeführt, um den genauen Zeitpunkt zum Beginnen des Vorheizens des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators zu finden. Gemäß dieser Ausführungsform kann dementsprechend Rechenkapazität eingespart werden, sodass insgesamt der Betrieb des hybriden Antriebsstrangs effizienter ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators eines hybriden Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, wobei der hybride Antriebsstrang als Antrieb eine Brennkraftmaschine und einen Elektromotor, der von einem Akkumulator mit elektrischer Energie versorgt wird, aufweist, wobei ein Abgassystem, der Brennkraftmaschine, der elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator aufweist, eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, eines der vorgenannten Verfahren auszuführen. Die Vorrichtung kann bspw. eine Steuereinheit zur Steuerung, Regelung des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators, des hybriden Antriebsstrangs oder des Fahrzeugs sein. Es ist auch denkbar, dass die Vorrichtung ein Teil der Steuereinheit ist oder als zusätzliche Steuereinheit verbaut ist, bspw. in dem Fahrzeug mit dem hybriden Antriebsstrang.
  • Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem hybriden Antriebsstrang gemäß einer ersten Ausführungsform,
    • 2 eine schematische Darstellung eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators gemäß einer ersten Ausführungsform,
    • 3 eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Veranschaulichung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung gemäß einer ersten Ausführungsform.
  • 1 zeigt in schematischer Weise ein Fahrzeug 100 mit einem hybriden Antriebsstrang 110. Der hybride Antriebsstrang 110 weist eine Brennkraftmaschine 120 und einen Elektromotor 140 auf. Die Brennkraftmaschine 120 und der Elektromotor 140 sind gemäß dieser Ausführungsform miteinander in Reihe geschaltet und können den Hybridantriebsstrang 110 entweder jeweils alleine oder in Kombination miteinander antreiben. Weitere Anordnungen sind ebenso denkbar. Der hybride Antriebsstrang 110 umfasst ferner eine Kupplung 130, die zwischen der Brennkraftmaschine 120 und dem Elektromotor 140 angeordnet ist. Die Kupplung 130 kann beispielsweise offen sein, wenn der Hybridantriebsstrang 110 nur mit dem Elektromotor 140 angetrieben wird. Die Kupplung 130 ist geschlossen, wenn der Hybridantriebsstrang 110 durch die Brennkraftmaschine 120 angetrieben wird. Der Hybridantriebsstrang 110 umfasst ferner ein Getriebe 150, das gemäß dieser Ausführungsform in Kraftrichtung stromabwärts des Elektromotors 140 angeordnet ist und das zum Schalten zwischen verschiedenen verfügbaren Gängen dient. Der Hybridantriebsstrang 110 umfasst ferner ein Differentialgetriebe 160, das gemäß dieser Ausführungsform an der Hinterachse des Fahrzeugs 100 angeordnet ist und das dazu ausgebildet ist, das von dem hybriden Antriebsstrang 110 kommende Drehmoment auf die beiden unterschiedlichen Hinterreifen 170 zu verteilen. Der Hybridantriebsstrang 110 umfasst ferner einen Akkumulator 145, der dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie für den Elektromotor 140 bereitzustellen. Die Brennkraftmaschine 120 umfasst weiter ein Abgassystem 180, das dazu eingerichtet ist, das Abgas der Brennkraftmaschine 120 so zu behandeln, dass die gesetzlichen Anforderungen an die Emissionen erfüllt werden. Das Abgassystem 180 umfasst zu diesem Zwecke einen elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator 190. Gemäß dieser Ausführungsform wird der elektrisch beheizte Abgaskatalysator 190 mit elektrischer Energie aus dem Akkumulator 150 zum Aufheizen versorgt.
  • 1 zeigt ferner ein Steuergerät 200, das bspw. innerhalb des Fahrzeugs 100 angeordnet ist. Die Steuereinheit 200 verwendet Eingangsdaten 210 und erzeugt und berechnet Ausgangsdaten 220, wobei die Ausgangsdaten 220 zum Betrieb des hybriden Antriebsstrangs 210 des Fahrzeugs verwendet werden. Bei den Eingangsdaten 210 handelt es sich um mindestens einen Parameter des hybriden Antriebsstrangs 110.
  • 2 zeigt in schematischer Weise eine Detailansicht des Abgassystems 180 der Brennkraftmaschine 120 und insbesondere des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators 190 des Abgassystems 180. Der elektrisch beheizbare Abgaskatalysator 190 umfasst einen Katalysatorabschnitt 192 und eine Heizscheibe 194. Die Heizscheibe 194 wird zur Beheizung mit elektrischer Energie aus dem Akkumulator 145 versorgt. Die Beheizung ist erforderlich, um den Katalysebereich 192 des elektrisch beheizten Abgaskatalysators 190 auf eine vordefinierte Betriebstemperatur vorteilhaft schnell aufzuheizen, sodass der Katalysebereich 192 eine sog. Light-off-Temperatur erreicht, damit die Abgasnachbehandlung in kurzer Zeit möglichst effizient und emissionsarm durchgeführt werden kann, sodass die gewünschte Emissionsreduktion und dementsprechend die gewünschte Einhaltung der Emissionsgrenzwerte erreicht werden kann.
  • Die 3 zeigt ein Diagramm 300, welches unterschiedliche Parameter während der Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung über die Zeit darstellt. Das Diagramm 300 weist demgemäß ein erstes Teildiagramm 310, ein zweites Teildiagramm 320 und ein drittes Teildiagramm 330 auf, welche in dieser Reihenfolge untereinander dargestellt sind. Auf der x-Achse des ersten Teildiagramms 310, des zweiten Teildiagramms 320 und des dritten Teildiagramms 330 ist jeweils die Zeit aufgetragen. Auf der y-Achse des ersten Teildiagramms 310 ist die elektrische Leistung 311 aufgetragen. Auf der y-Achse des zweiten Teildiagramms 320 ist ein Drehmoment 321 dargestellt. Auf der y-Achse des dritten Teildiagramms 330 ist die Heizleistung 331 des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators 190 dargestellt.
  • In dem ersten Teildiagramm 310 ist die verfügbare elektrische Maximalleistung des Akkumulators für eine Sekunde 312 und für zwanzig Sekunden 313 dargestellt. Beide Maximalleistungen, 312 und 313, sinken kontinuierlich über die Zeit aufgrund der tatsächlich abgerufenen elektrischen Leistung des Elektromotors (durch Sinken des Ladezustands bzw. Verschlechterung des thermischen Zustands des Akkumulators) ab, wobei der Gradient umso steiler ist, je höher die tatsächlich abgerufene Leistung ist. Dementsprechend ist aus dem ersten Teildiagramm 310 auch ersichtlich, dass bei Beginn des tatsächlichen Heizvorgangs des elektrisch beheizten Abgaskatalysators 190 dieser Gradient dementsprechend steiler wird. Würde bspw. die Leistung entsprechend der 1-Sekunden-Grenze 312 tatsächlich abgerufen, so würde aufgrund der Belastung des Akkumulators ein erheblich schnelleres Sinken der 1-Sekunden-Leistung und der 20-Sekunden-Leistung als im dargestellten Beispiel des ersten Teildiagramms 310 nachfolgen. In dem ersten Teildiagramm 310 ist zusätzlich die prädizierte Vorheizzeit 317 und ein geplanter Start der Brennkraftmaschine 120 nach Ablauf der prädizierten Vorheizzeit 317 mit dem Bezugszeichen 318 dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform beträgt die prädizierte Vorheizzeit 317 weniger als 20 Sekunden, z. B. 19 Sekunden. Daher wird gemäß dieser Ausführungsform die maximale 20-Sekunden-Leistung des Akkumulators 145 zur Ermittlung des Zeitpunkts des Beginns des Vorheizens herangezogen.
  • Aus dem ersten Teildiagramm ist zudem der prädizierte Vorheizleistungsverlauf 332 dargestellt. Die maximal verfügbare elektrische Leistung des Akkumulators 145 für 20 Sekunden 313 wird um die prädizierte maximale Vorheizleistung 315 des Vorheizleistungsverlaufs 332 reduziert, um eine reduzierte elektrische Maximalleistung 314 zu ermitteln. Gemäß einer Ausführungsform kann die dadurch ermittelte reduzierte elektrische Maximalleistung 314 um eine weitere Reserve und um einen weiteren Verbrauch von zusätzlichen Verbrauchern des Fahrzeugs reduziert werden. Die reduzierte elektrische Maximalleistung 314 wird anschließend gemäß einer Ausführungsform in ein verfügbares maximales Maschinendrehmoment 323 für den Elektromotor 140 umgerechnet.
  • Dieser verfügbare maximale Maschinendrehmoment 323 ist in dem zweiten Teildiagramm 320 aufgetragen. In dem zweiten Teildiagramm 320 ist zusätzlich ein Drehmomentenlinie 322 des Elektromotors 140 für 20 Sekunden aufgetragen. Das eigene Drehmomentenlimit, hier die Drehmomentenlinie 322 des Elektromotors 140 für 20 Sekunden liegt gemäß dieser Ausführungsform oberhalb eines verfügbaren maximalen Maschinendrehmoments 323 des Elektromotors 140, sodass hierdurch keine weitere Begrenzung erforderlich ist. In dem zweiten Teildiagramm 320 ist zusätzlich ein gefordertes Maschinendrehmoment 324 aufgetragen. Das geforderte Maschinendrehmoment 324 entspricht gemäß dieser Ausführungsform dem Fahrerwunsch des Fahrzeugs 100. Das geforderte Maschinendrehmoment 324 wird kontinuierlich mit dem verfügbaren maximalen Maschinendrehmoment 323 für den Elektromotor 140 verglichen. Dies ist insbesondere aus dem zweiten Teildiagramm 320 ersichtlich. Zu Beginn liegt das geforderte Maschinendrehmoment 324 unterhalb des verfügbaren maximalen Maschinendrehmoments 323, sodass kein Vorheizen des elektrisch beheizten Abgaskatalysators 190 erforderlich ist. Durch kontinuierliche Zunahme des Fahrerwunsches und entsprechend durch kontinuierliche Zunahme des geforderten Maschinendrehmoments 324 und gleichzeitiger Abnahme des verfügbaren maximalen Maschinendrehmoments 323 über die Zeit kreuzen sich schließlich beide Werte. Dies ist dementsprechend der Zeitpunkt, zu dem die für den Fahrerwunsch benötigte elektrische Leistung 316 die reduzierte elektrische Maximalleistung 314 schneidet (siehe erstes Teildiagramm 310). Zu diesem Zeitpunkt wird das Vorheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators 190 aktiviert und die benötigte elektrische Leistung nimmt um die prädizierte Heizleistung zu. Entsprechend erfolgt eine schnellere Abnahme der für die 1-Sekunden bzw. 20 Sekunden verfügbare Leistung des Akkumulators (siehe erstes Teildiagramm 310). Unter der Annahme einer ausreichend genauen Prädiktion ist jedoch die notwendige Vorheizzeit 317 zum Erreichen der gewünschten Betriebstemperatur des elektrisch beheizten Abgaskatalysators 190 beendet, bevor die maximale 1-Sekunden-Batterieleistung, die notwendige elektrische Leistung für den Fahrerwunsch zzgl. der elektrischen Heizleistung erreich. Es kann ein Start der Brennkraftmaschine 120 dementsprechend mit niedrigen Emissionen erfolgen, um zu verhindern, dass bei fortgesetzten elektrischen Fahren der Fahrerwunsch nicht mehr mit der verfügbaren elektrischen Batterieleistung darstellbar wäre.
  • Das dritte Teildiagramm 320 stellt die Heizleistung 331 des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators 190 über die Zeit dar. Die eingezeichnete Kurve des Vorheizleistungsverlauf 332 stellt eine Anforderung an die Heizleistung während des Vorheizens des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators 190 bis zum Start 318 der Brennkraftmaschine 120 dar. Derselbe Vorheizleistungsverlauf 332 ist auch in dem ersten Teildiagramm 310 dargestellt. Aus dem dritten Teildiagramm ist dementsprechend ersichtlich, dass unmittelbar nach dem Einleiten des Vorheizens des elektrisch beheizten Abgaskatalysators 190 die Leistungsaufnahme des elektrisch beheizten Abgaskatalysators 190 sprunghaft ansteigt und sich anschließend der gewünschten Heizleistung 331 des elektrisch beheizten Abgaskatalysators 190 annähert und dieses schließlich erreicht und hält, bis ein Start der Brennkraftmaschine 120 erfolgt und die gewünschte Betriebstemperatur des elektrisch beheizten Abgaskatalysators 190 erreicht ist. In dem dritten Teildiagramm ist zudem die maximale Vorheizleistung 315 des Vorheizleistungsverlaufs 332 dargestellt. Die dargestellte Ausführungsform basiert auf einem Vergleich des für den Fahrerwunsch notwendigen geforderten Maschinendrehmoments 324 mit den entsprechenden Grenzen und Reserven. Der Vergleich lässt sich aber ebenso z.B. auf der Raddrehmomentenebene ausführen, wenn das für den Elektromotor 140 verfügbare maximale Maschinendrehmoment 323 entsprecht dem Übersetzungsverhältnis in ein verfügbares Radmoment umgerechnet wurde.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190) eines hybriden Antriebsstrangs (110) eines Fahrzeugs (100), wobei der hybride Antriebsstrang (110) als Antrieb eine Brennkraftmaschine (120) und einen Elektromotor (140), der von einem Akkumulator (145) mit elektrischer Energie versorgt wird, aufweist, wobei ein Abgassystem (180) der Brennkraftmaschine (120) den elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator (190) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Betreiben des hybriden Antriebsstrangs (110) mit dem Elektromotor (140) allein; - Ermitteln eines prädizierten Vorheizleistungsverlaufs (332) und einer prädizierten Vorheizzeit (317) des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190), die notwendig sind, um bei einem Start der Brennkraftmaschine (120) vordefinierte Emissionsgrenzwerte einzuhalten; - Ermitteln einer verfügbaren elektrischen Maximalleistung (313), die der Akkumulator (145) für eine Mindestzeit kontinuierlich bereitstellen kann, welche größer oder gleich der prädizierten Vorheizzeit (317) ist; - Ermitteln einer prädizierten für den Elektromotor (140) verfügbaren elektrischen Maximalleistung (314) während eines Vorheizvorgangs des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190), indem die verfügbare elektrische Maximalleistung (313) des Akkumulators (145) um die prädizierte maximale Vorheizleistung (315) des Vorheizleistungsverlaufs (332) reduziert wird; - Vergleichen des prädizierten für den Elektromotor (140) verfügbaren elektrischen Maximalleistung (314) mit einer für den Elektromotor (140) geforderten Leistung (316) und Beginnen des Vorheizens des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190), wenn die für den Elektromotor (140) geforderte Leistung (316) die prädizierte für den Elektromotor (140) verfügbare Maximalleistung (314) überschreitet.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die prädizierte für den Elektromotor (140) verfügbare elektrischen Maximalleistung (314) in ein prädiziertes für den Elektromotor (140) verfügbares maximales Maschinendrehmoment (323) umgerechnet wird und das prädizierte für den Elektromotor (140) verfügbaren maximalen Maschinendrehmoments (323) mit einem geforderten Maschinendrehmoment (324) des Elektromotors (140) verglichen wird und das Vorheizen des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190) begonnen wird, wenn das gefordertes Maschinendrehmoment (324) des Elektromotors (140) das prädizierte verfügbare maximale Maschinendrehmoment (323) des Elektromotors (140) überschreitet.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Umrechnung der prädizierten für den Elektromotor (140) verfügbaren elektrischen Maximalleistung (314) in das prädizierte für den Elektromotor (140) verfügbare maximale Maschinendrehmoment (323) mittels eines Modells des Elektromotors (140) durchgeführt wird, wobei das Modell die aktuelle Drehzahl des Elektromotors (140) und / oder eine prädizierte Drehzahl des Elektromotors (140) berücksichtigt.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das prädizierte für den Elektromotor (140) verfügbare maximale Maschinendrehmoment (323) auf ein limitiertes verfügbares Maschinendrehmoment limitiert wird, welches der Elektromotor (140) bei einer aktuellen Drehzahl mindestens für die prädizierte Vorheizzeit (317) bereitstellen kann, wobei das limitierte verfügbare Maschinendrehmoment mit dem geforderten Maschinendrehmoment (324) des Elektromotors (140) verglichen wird.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das ermittelte prädizierte verfügbare maximale Maschinendrehmoment (323) des Elektromotors (140) um ein vordefiniertes Reservedrehmoment reduziert wird.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Ermittlung des prädizierten Vorheizleistungsverlaufs (332) und der prädizierten Vorheizzeit (317) des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190) eine gemessene und / oder modellierte Temperatur innerhalb des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190) berücksichtigt wird.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Ermittlung der verfügbaren elektrischen Maximalleistung (313), die der Akkumulator (145) für die Mindestzeit kontinuierlich bereitstellen kann, inneren Zuständen des Akkumulators (145) berücksichtigt werden.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die prädizierte für den Elektromotor (140) verfügbare elektrische Maximalleistung (314) um einen Verbrauch für elektrische Zusatzverbraucher, die während einer Heizphase des elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190) aktiv bleiben, reduziert wird.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Verbraucher des Fahrzeugs vorübergehend während der Vorheizphase abgeschaltet werden, damit die geforderte Leistung (316) bzw. das geforderte Maschinendrehmoment (324) des Elektromotors (140) über die geforderte prädizierte Vorheizzeit (317) bereitgestellt werden kann.
  10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren kontinuierlich während des Betriebs des hybriden Antriebstrangs (110) durchgeführt wird.
  11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchführung des Verfahrens erst dann eingeleitet wird, sobald während des Betriebs des hybriden Antriebsstrangs (110) ein Ladezustand des Akkumulators (145) einen vordefinierten Ladezustand unterschreitet.
  12. Vorrichtung zum Betreiben eines elektrisch beheizbaren Abgaskatalysators (190) eines hybriden Antriebsstrangs (110) eines Fahrzeugs (100), wobei der hybride Antriebsstrang (110) als Antrieb eine Brennkraftmaschine (120) und einen Elektromotor (140), der von einem Akkumulator (145) mit elektrischer Energie versorgt wird, aufweist, wobei ein Abgassystem (180) der Brennkraftmaschine (120) den elektrisch beheizbaren Abgaskatalysator (190) aufweist, wobei die Vorrichtung eine Steuereinheit (200) aufweist, die dazu ausgebildet ist ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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