DE19804098C2 - Heizeinrichtung in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung in einem Kraftfahr­ zeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kraftfahrzeuge beinhalten üblicherweise eine Niederspannungs- Bordbatterie zum Betrieb von Niederspannungslasten, wie etwa ei­ nes Anlassers für den Verbrennungsmotor, einer Steuerungselekt­ ronik für den Verbrennungsmotor und einer konventionellen Be­ leuchtungsanlage. Darüber hinaus sind Kraftfahrzeuge mit Hybrid­ antrieb in der Regel mit einem Antriebs-Verbrennungsmotor und einem Antriebs-Elektromotor sowie mit einer zugehörigen Hoch­ spannungs-Traktionsbatterie ausgerüstet, die eine 100 V bis 400 V Leistungsversorgung für den Antriebs-Elektromotor darstellt. Um den vom Verbrennungsmotor herrührenden Schadstoffausstoß so ge­ ring wie möglich zu halten, werden häufig die Abgase des Ver­ brennungsmotors mittels eines Abgaskatalysators gereinigt, des­ sen Wirkungsweise von seiner Betriebstemperatur abhängt. Es ist bekannt, den Katalysator zum schnellen Erreichen seines güns­ tigsten Betriebstemperaturbereichs beheizbar auszulegen. Übliche Elemente zum Beheizen von Abgaskatalysatoren sind für Nieder­ spannungsbetrieb ausgelegt, nicht zuletzt, um die Anforderungen an die Zuleitungen im Hinblick auf Spannungsüberschlag und Be­ rührschutz möglichst gering zu halten.

Daher werden bislang normalerweise Elemente zum Beheizen von Ab­ gaskatalysatoren von der Niederspannungs-Bordbatterie gespeist, die aber dann bei einer wünschenswerten Heizleistung von z. B. etwa 4 kW einen Strom von über 300 A zur Verfügung stellen und dementsprechend groß ausgelegt werden muß.

In der EP 0 511 654 A2 wird in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb für den Fall eines Bremsvorganges ein zum Antrieb vorgesehener Elektromotor als Generator geschaltet und dann bei Bedarf der so generierte Strom einem Katalysatorheizelement zugeführt. Die daraus bekannte Anordnung gestattet aber eine aktive Beheizung des Katalysators nur bei Bremsvorgängen.

In der DE 196 18 548 A1 wird für ein Fahrzeug ein elektrisches Leistungsversorgungssystem offenbart, das einen von einem Ver­ brennungsmotor antreibbaren Wechselstromgenerator mit einer Mehrphasen-Ankerwicklung und eine Spannungsregler- und Gleich­ richtereinheit beinhaltet, die mit der Ankerwicklung verbunden ist, um eine gleichgerichtete Ausgangsleistung mit verschiedenen Spannungen für verschiedene elektrische Lasten einschließlich einer Niederspannungs-Bordbatterie bereitzustellen. Die daraus bekannte Anordnung gestattet das Betreiben einer Hochspannungs­ last, wie etwa einer Katalysator-Heizvorrichtung, nur bei lau­ fendem Generator, also bei laufendem Verbrennungsmotor. Beim Kaltstart des Fahrzeugs kann der Abgaskatalysator folglich nicht vor dem Starten des Verbrennungsmotors beheizt werden.

Aus der DE 43 20 509 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit einem vorzugsweise spannungsgeregelten Drehstromgenerator als Energie­ quelle für eine Stromversorgung mit erhöhten einstellbaren Ver­ sorgungsspannungen für Kraftfahrzeuge bekannt, die neben dem üb­ lichen Niederspannungs-Bordnetz ein davon getrenntes, weiteres Bordnetz bildet. Diese erhöhten einstellbaren Versorgungsspan­ nungen werden aber nur bei laufendem Drehstromgenerator und da­ mit bei laufendem Fahrzeugmotor bereitgestellt. Auch bei diesem System ist folglich kein aktiver Betrieb einer durch die erhöhte Spannung gespeisten Katalysator-Heizvorrichtung vor dem Starten des den Drehstromgenerators antreibenden Verbrennungsmotors mög­ lich.

Die DE 94 13 500 U1 beschreibt ein Hybridfahrzeug mit Traktions­ batterie, welche zum Betrieb bei 400 V Nennspannung ausgelegt ist und als Versorgung von das Fahrzeug antreibenden Drehstrom-Asyn­ chronmotoren dient. Zur Versorgung von Beleuchtungseinrichtung und Servomotoren im Fahrzeug ist eine Bordbatterie vorgesehen, die im Vergleich zur Traktionsbatterie sehr viel leistungsschwä­ cher ist. Um zum einen diese Bordbatterie nicht übermäßig stark zu belasten und zum anderen die Abwärme des Verbrennungsmotors im Hybridfahrzeug ausschließlich zur Heizung, der Fahrgastzelle verwenden zu können, ist vorgesehen, elektrische Heizelemente zur Beheizung einer Frontscheibe, einer Heckscheibe und/oder von Sitzen über eine Heizungssteuerung aus der Traktionsbatterie zu speisen.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Heizeinrichtung für einen Abgaskatalysator in einem Kraft­ fahrzeug mit Traktionsbatterie derart zugrunde, dass die Heiz­ einrichtung bei Bedarf und unabhängig vom sonstigen Fahrzeugbe­ triebszustand mit hoher Leistung betreibbar ist und ihr Betrieb eine gegebenenfalls vorhandene Bordbatterie nicht belastet.

Dieses Problem wird durch eine Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist der Heizelement-Stromkreis zur Speisung des Heizelementes über ein galvanisch trennendes Element mit dem Traktionsbatterie-Stromkreis und damit mit der Traktionsbatterie-Stromkreis wird durch ein getaktet betriebenes Schalt­ element geöffnet und geschlossen, wodurch sich ein Wechselstrom generieren lässt.

In einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Heizeinrichtung ist das galvanisch trennende Element ein Wandlerelement, über das sich dann elektrische Energie auf den Heizelement-Stromkreis übertragen lässt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt in einem Blockschaltbild eine Heizein­ richtung in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb.

Die in der Figur dargestellte Heizeinrichtung beinhaltet ein elektrisch betreibbares Heizelement 8 und einen zugehörigen Heiz­ element-Stromkreis 7 sowie eine Traktionsbatterie 1 und einen zugehörigen Traktionsbatterie-Stromkreis 2 mit einer Nennspan­ nung von typischerweise zwischen 100 V und 400 V.

Im Traktionsbatterie-Stromkreis 2 befindet sich ein Halbleiter­ schalter 3, der zur Erzeugung eines getakteten Stromflusses im Traktionsbatterie-Stromkreis 2 über eine von einer Niederspan­ nungs-Bordbatterie 4 gespeiste Steuerung 5 getaktet geöffnet und geschlossen wird. Dadurch kann elektrische Energie über einen Transformator 6, der den Heizelement-Stromkreis 7 an den Trakti­ onsbatterie-Stromkreis 2 und damit an die Traktionsbatterie 1 koppelt, vom Traktionsbatterie-Stromkreis 2 in den Stromkreis 7 des Heizelementes 8 übertragen werden, wobei der Transformator zusammen mit dem Halbleiterschalter 3 als DC/AC-Wandlereinheit fungiert. Dem Heizelement 8 ist ein Temperatursensor 9 zugeord­ net, dessen Ausgangssignal der Steuerung 5 zugeführt ist und in die Bestimmung des Öffnungs- und Schließtaktes des Halbleiter­ schalters 3 eingeht, um die Temperatur des Heizelementes 8 auf einen vorgebbaren Sollwert einzuregeln.

Das Heizelement ist im vorliegenden Beispiel einem Abgaskataly­ sator zum Beheizen desselben zugeordnet, wobei sich z. B. ohne weiteres eine dafür wünschenswerte Heizleistung des Heizelemen­ tes 8 von ungefähr 4 kW realisieren läßt. Würde das Heizelement 8 bei 12 V z. B. von einer Bordbatterie betrieben, so müßte die Stromzufuhr des Heizelementes 8 hierfür auf ca. 330 A ausgelegt sein. Eine geeignete Wahl des Spannungstransformationsverhält­ nisses des Transformators 6 gestattet hingegen vorliegend einen Betrieb des Heizelement-Stromkreises 7 bei etwa bis zu 60 V, ei­ nem Spannungsbereich, bei dem noch keine aufwendigen Sicher­ heitsmaßnahmen im Blick auf Spannungsüberschlag und Berührschutz getroffen werden müssen. Der Heizelement-Stromkreis 7 muß dann lediglich auf einen um einen Faktor fünf verringerten Stromfluß von ca. 65 A ausgelegt werden. Für den Fall, daß das Heizelement 8 für Gleichstrom ausgelegt ist, kann im Heizelement-Stromkreis 7 ein geeigneter Brückengleichrichter 10 vorgesehen sein, wie in der Figur gestrichelt angedeutet. Die Tatsache, daß das Heizele­ ment 8 zum Beheizen eines Abgaskatalysators mit der elektrischen Energie einer leistungsstarken Traktionsbatterie betrieben wird, erlaubt selbst bei einem Kaltstart ein sehr kurzfristiges Aufheizen des Abgaskatalysators, etwa binnen zwei bis drei Minu­ ten, auf Betriebstemperatur. Dabei kann der Aufheizvorgang schon vor dem Starten des Verbrennungsmotors aktiviert werden, so daß der Abgasschadstoffausstoß schon zum Zeitpunkt des Motorstarts gering gehalten werden kann.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die hier beschriebenen Beispiele, sondern umfaßt auch Varianten hiervon, z. B. eine sol­ che, bei der keine Regelung der Temperatur des Heizelementes 8 mittels der Steuerung 5 vorgesehen ist, oder eine solche, in welcher der Schalter zur Erzeugung eines getakteten Stromflusses im Traktionsbatterie-Stromkreis nicht als Halbleiterschalter, sondern als elektromechanischer Schalter ausgebildet ist, oder auch eine solche, in der das galvanisch trennende Element zur Kopplung des Heizelement-Stromkreises 7 an den Traktionsbatte­ rie-Stromkreis 2 nicht als Transformator, sondern als optoelek­ tronisches Stromwandlerelement ausgebildet ist.

Claims (2)

1. Heizeinrichtung in einem Kraftfahrzeug, das einen eine Traktionsbatterie (1) mit zugehörigem Traktionsbatterie- Stromkreis (2) beinhaltenden Antrieb aufweist, insbesondere ei­ nen Hybridantrieb, die ein elektrisch betreibbares Heizelement (8), das einem Abgaskatalysator zum Beheizen desselben zugeord­ net ist, und einen zugehörigen Heizelement-Stromkreis (7) um­ fasst, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizelement-Stromkreis (7) über ein galvanisch trennendes Element (6) mit dem Traktionsbatterie-Stromkreis (2) und damit mit der Traktionsbatterie (1) gekoppelt ist und ein getaktet be­ triebenes Schaltelement (3) im Traktionsbatterie-Stromkreis vor­ gesehen ist.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das getaktet betriebene Schaltelement ein getaktet betriebener Halbleiterschalter (3) ist und das galvanisch trennende Element ein Stromwandlerelement (6) ist, das den Heizelement-Stromkreis (7) mit dem Traktionsbatterie-Stromkreis (2) koppelt.