WO2021259765A1 - Method and device for operating an electric heater of a catalytic converter - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a method for operating an electric heater (4) of a catalytic converter (3), wherein the heater (4) is connected via a controllable switch (12) to an energy source (5) which supplies an output voltage which is specified by a voltage range (II; IV) which extends from a minimum voltage value to a maximum voltage value but which can also assume voltages outside of said voltage range (II; IV), wherein a control unit (6) detects the output voltage and based on a difference value between the detected output voltage and a predefined reference voltage, controls the controllable switch (12) in an opening and closing manner with pulse-width modulation with a pulse duty factor, and the control unit (6) controls the controllable switch (12) with pulse-width modulation with a pulse duty factor which is adapted such that a heating power of the electric heater (4) corresponds to a predefined nominal heating power.

Description

Beschreibung description
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Heizung eines Katalysators Method and device for operating an electrical heater for a catalytic converter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Heizung eines Katalysators, wobei die Heizung über einen steuerbaren Schalter mit einer eine Ausgangsspannung bereitstellenden Energiequelle verbunden ist, welche Ausgangsspannung über einen von einem Minimalspannungswert zu einem Maximalspannungswert reichenden Spannungsbereich vorgegeben ist, aber auch Spannungen außerhalb dieses Spannungsbereichs annehmen kann, wobei eine Steuereinheit die Ausgangsspannung erfasst und abhängig von einem Differenzwert der erfassten Ausgangsspannung zu einem vorgegebenen Referenzspannungswert den steuerbaren Schalter öffnend oder schließend ansteuert. The invention relates to a method and a device for operating an electrical heater of a catalytic converter, the heater being connected via a controllable switch to an energy source providing an output voltage, which output voltage is specified over a voltage range ranging from a minimum voltage value to a maximum voltage value, but also voltages outside this voltage range, wherein a control unit detects the output voltage and controls the controllable switch to open or close depending on a difference value between the detected output voltage and a predetermined reference voltage value.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der DE 196 45 016 C1 bekannt. Dort wird ausgeführt, dass für eine besonders geringe Emission von Schadstoffen es insbesondere bei einem Neustart einer Brennkraftmaschine notwendig sei, dass der Katalysator schnell auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Dazu soll beispielsweise eine elektrische Heizvorrichtung vorgesehen sein, die den Katalysator elektrisch aufheizt. Eine entsprechende elektrische Heizvorrichtung für einen Katalysator sei beispielsweise aus "Die Systementwicklung des elektrisch heizbaren Katalysators", Erhard Otto et al. , Motortechnische Zeitschrift 56 (1995) 9, Seite 488 ff bekannt. Die Stromversorgung des elektrisch beheizten Katalysators sei ein besonderes Problemfeld, da sie gravierende Rückwirkungen auf das Bordnetz und den Motorbetrieb hat. Such a method and such a device are known from DE 196 45 016 C1. There it is stated that for a particularly low emission of pollutants, especially when restarting an internal combustion engine, it is necessary for the catalytic converter to be quickly heated to its operating temperature. For this purpose, for example, an electrical heating device should be provided which electrically heats the catalytic converter. A corresponding electrical heating device for a catalytic converter is, for example, from "The system development of the electrically heatable catalytic converter", Erhard Otto et al. , Motortechnische Zeitschrift 56 (1995) 9, page 488 ff. The power supply of the electrically heated catalytic converter is a particular problem area, as it has serious repercussions on the vehicle electrical system and engine operation.
Beim dortigen Verfahren wird beim Start der Beheizung des Katalysators die Spannung als Referenzspannung gemessen, wobei die Spannung während des Beheizens des Katalysators laufend als aktuelle Spannung ermittelt und mit der Referenzspannung verglichen wird. Das Beheizen des Katalysators wird abgebrochen, wenn die Differenz zwischen der Referenzspannung und der aktuellen Spannung größer als ein Differenzwert ist. Auf diese Weise wird aufgrund des Spannungsabfalles während des Beheizens die Güte der Spannungsquelle bestimmt und abhängig von der Güte das Beheizen abgebrochen oder weitergeführt. Hierdurch wird allerdings nur das Problem bedient, dass die Energiequelle durch die Heizung nicht über Gebühr belastet wird. In the method there, the voltage is measured as a reference voltage at the start of the heating of the catalytic converter, the voltage being continuously determined as the current voltage and compared with the reference voltage while the catalytic converter is being heated. The heating of the catalytic converter is canceled if the difference between the reference voltage and the current voltage is greater than a difference value. In this way, due to the voltage drop during heating, the quality of the voltage source is determined and, depending on the quality, heating is interrupted or continued. However, this only addresses the problem that the energy source is not overburdened by the heating.
Des Weiteren wird durch Dokument DE 10 2018 120 402 A1 ein Verfahren und Vorrichtungen zum Steuern eines elektrisch beheizten Katalysatorsystems eines Fahrzeugs offenbart, wobei abhängig von einer Leistungsanforderung bestimmt wird, ob ein Hochspannungsnetz oder ein Niederspannungsnetz zum Beheizen des Katalysatorsystems verwendet werden soll. Furthermore, document DE 10 2018 120 402 A1 discloses a method and devices for controlling an electrically heated catalytic converter system of a vehicle, it being determined depending on a power requirement whether a high-voltage network or a low-voltage network is to be used to heat the catalytic converter system.
Ein elektrisch beheizter Katalysator wird hauptsächlich benutzt, um die Katalysatorerwärmung nach einem Motorkaltstart zu beschleunigen. Er kann auch verwendet werden, um einen während eines Fahrzyklus abgekühlten Katalysator wieder zu erwärmen. Derzeit sind elektrisch beheizte Katalysatoren ausgelegt, bei einer Nominalspannung einer Spannungsversorgung von beispielsweise 12 V oder 48 V zu arbeiten, wobei eine geforderte Heizleistung von beispielsweise 2,5 kW oder 4 kW üblich ist. Der elektrisch beheizte Katalysator wird üblicherweise so entworfen, dass er die geforderte Heizleistung bei der Nominalspannung erzielt. Abweichungen von diesen Nominalwerten werden häufig benutzt, um den Effekt und Vorteile eines elektrisch beheizten Katalysators während der Entwicklungsphase zu untersuchen. An electrically heated catalytic converter is mainly used to accelerate catalytic converter heating after a cold engine start. It can also be used to reheat a catalytic converter that has cooled down during a drive cycle. Electrically heated catalytic converters are currently designed to work at a nominal voltage of a voltage supply of, for example, 12 V or 48 V, with a required heating power of, for example, 2.5 kW or 4 kW being common. The electrically heated catalytic converter is usually designed in such a way that it achieves the required heating power at the nominal voltage. Deviations from these nominal values are often used to investigate the effects and advantages of an electrically heated catalyst during the development phase.
Die Spannungsversorgung in Kraftfahrzeugen erfolgt zumeist mit Hilfe von Batterien mit Ausgangsspannungen von beispielsweise 12 oder 48 V, wobei dies lediglich die Nennspannungen sind, im Betrieb können jedoch erhebliche Abweichungen davon auftreten, da diese Batterien starken Belastungen aufgrund einer hohen Anzahl gleichzeitig zu betreibende Verbraucher unterliegen können. Außerdem können diese Batterien auf höhere Spannungen aufgeladen werden als ihrer Nennspannung entspricht. So ist beispielsweise der Betriebsspannungsbereich einer 12 V Batterie zwischen etwa 9 V und 14 V festgelegt, während dieser bei einer 48 V Batterie zwischen 36 V und 52 V definiert ist. D. h., dass die Batterien durch Zuschalten von Verbrauchern belastet werden dürfen, wenn ihre aktuelle Spannung innerhalb dieser Bereiche liegt. The power supply in motor vehicles is mostly carried out with the help of batteries with output voltages of, for example, 12 or 48 V, whereby these are only the nominal voltages, but considerable deviations from this can occur during operation, as these batteries can be subject to heavy loads due to a high number of consumers that have to be operated at the same time . In addition, these batteries can be charged to voltages higher than their nominal voltage. For example, the operating voltage range of a 12 V battery is set between approximately 9 V and 14 V, while it is defined between 36 V and 52 V for a 48 V battery. This means that the batteries may be loaded by connecting consumers if their current voltage is within these ranges.
Eine typische Anforderung ist nun, dass die vorgegebene Heizleistung von beispielsweise 4 kW des elektrisch beheizten Katalysators über den gesamten erlaubten Spannungsbereich von beispielsweise 36 V bis 52 V einer 48 V Batterie verfügbar sein soll. Der elektrisch beheizte Katalysator hat eine rein resistive Charakteristik. Dies bedeutet, dass die gewünschte Nominalheizleistung nur bei der Nominalspannung erzeugt wird. Ist die Spannung geringer, wird auch die Heizleistung geringer sein, was bedeutet, dass die Aufwärmphase des Katalysators deutlich verlängert ist. Bei einer höheren Batteriespannung als der Nominalspannung wäre entsprechend die Heizleistung größer, was ein Aufheizen des Katalysators beschleunigen würde. Dieser Zusammenhang ist in der Figur 2 verdeutlicht, die die quadratische Abhängigkeit der Heizleistung von der Batteriespannung zeigt. Es ist zu erkennen, dass die tatsächliche Heizleistung innerhalb des erlaubten Spannungsbereichs erhebliche Abweichungen haben kann. A typical requirement is that the specified heating power of, for example, 4 kW of the electrically heated catalytic converter should be available over the entire permitted voltage range of, for example, 36 V to 52 V of a 48 V battery. The electrically heated catalytic converter has a purely resistive characteristic. This means that the desired nominal heating output can only be achieved with the Nominal voltage is generated. If the voltage is lower, the heating output will also be lower, which means that the warm-up phase of the catalytic converter is significantly longer. If the battery voltage was higher than the nominal voltage, the heating output would be correspondingly greater, which would accelerate the heating of the catalytic converter. This relationship is illustrated in FIG. 2, which shows the quadratic dependence of the heating power on the battery voltage. It can be seen that the actual heating output can have considerable deviations within the permitted voltage range.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Heizung eines Katalysators anzugeben, bei denen eine konstante Heizleistung über den gesamten spezifizierten Ausgangsspannungsbereich eines Energiespeichers ermöglicht ist. The object of the invention is to specify a method and a device for operating an electrical heater for a catalytic converter, in which a constant heating power is made possible over the entire specified output voltage range of an energy store.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizung eines Katalysators gelöst, wobei die elektrische Heizung über einen steuerbaren Schalter mit einer eine Ausgangsspannung bereitstellenden Energiequelle verbunden ist, welche Ausgangsspannung über einen von einem Minimalspannungswert zu einem Maximalspannungswert reichenden Spannungsbereich spezifiziert ist, aber auch Spannungen außerhalb dieses Spannungsbereichs annehmen kann, und wobei eine Steuereinheit die Ausgangsspannung erfasst und abhängig von einem Differenzwert der erfassten Ausgangsspannung zu einem vorgegebenen Referenzspannungswert den steuerbaren Schalter pulsweitenmoduliert mit einem Tastverhältnis öffnend und schließend ansteuert, bei dem bei einem positiven Differenzwert der Ausgangsspannung zum Referenzspannungswert, die Steuereinheit den steuerbaren Schalter pulsweitenmoduliert mit einem derart angepassten Tastverhältnis ansteuert, dass die Leistung der elektrischen Heizung einer vorgegebenen nominalen Heizleistung entspricht. The object is achieved by a method for operating an electrical heater for a catalytic converter, the electrical heater being connected via a controllable switch to an energy source providing an output voltage, which output voltage is specified over a voltage range ranging from a minimum voltage value to a maximum voltage value, but also voltages outside of this voltage range, and wherein a control unit detects the output voltage and, depending on a difference value between the detected output voltage and a predetermined reference voltage value, controls the controllable switch in a pulse-width-modulated manner with a pulse-width-modulated opening and closing ratio, in which, in the case of a positive difference between the output voltage and the reference voltage value, the control unit controls the controllable switch in a pulse-width-modulated manner with a duty cycle adapted in such a way that the output of the electrical heater is a predetermined value n corresponds to the nominal heating output.
Ein pulsweitenmoduliertes Steuerungssignal ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel zwischen aus- und eingeschaltetem Betriebsphasen vorgegeben wird wobei die Dauer der jeweiligen Ein- und Aus-Phase bzw. das Verhältnis zwischen Ein- und Aus-Phasen als Tastverhältnis bezeichnet wird und eine mittlere Leistung über der Zeit ergibt und nach Erfordernis variiert werden kann. Mit steigendem Anteil der Ein-Phasen wird von einem zunehmenden Tastverhältnis gesprochen, so entspricht ein Tastverhältnis von 100% quasi einem Dauer-Einschaltzustand. Eine Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mit abnehmendem Differenzwert der Ausgangsspannung zum Referenzspannungswert das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals des steuerbaren Schalters zunimmt. Ein abnehmender Differenzwert bedeutet in diesem Fall eine abnehmende Ausgangsspannung der Energiequelle. Um bei abnehmender Ausgangsspannung der Energiequelle die nominale Heizleistung beibehalten zu können muss der Anteil der Ein-Phasen der Pulsweitenmodulation, also das Tastverhältnis erhöht werden. Durch die Anpassung des Tastverhältnisses in Abhängigkeit vom Differenzwert der Ausgangsspannung zum Referenzspannungswert, also letztlich von der Höhe der Ausgangsspannung, kann die nominale Heizleistung zumindest über einen vordefinierten Spannungsbereich vorteilhaft konstant gehalten werden. A pulse-width-modulated control signal is characterized in that a change between switched-off and switched-on operating phases is specified, the duration of the respective on and off phase or the ratio between on and off phases being referred to as the duty cycle and an average power above the Time results and can be varied as required. With an increasing proportion of the on-phases, one speaks of an increasing pulse duty factor, so a pulse duty factor of 100% corresponds, as it were, to a permanent switched-on state. One embodiment of the invention is characterized in that as the difference value between the output voltage and the reference voltage value decreases, the duty cycle of the pulse width modulation of the control signal of the controllable switch increases. In this case, a decreasing differential value means a decreasing output voltage of the energy source. In order to be able to maintain the nominal heating power when the output voltage of the energy source decreases, the proportion of the one-phase pulse width modulation, i.e. the pulse duty factor, must be increased. By adapting the pulse duty factor as a function of the difference value between the output voltage and the reference voltage value, i.e. ultimately the level of the output voltage, the nominal heating power can advantageously be kept constant at least over a predefined voltage range.
Bei einerweiteren Ausführung der Erfindung, wird die nominale Heizleistung erreicht, wenn das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals des steuerbaren Schalters 100% beträgt und der Differenzwert der Ausgangsspannung zum Referenzspannungswert den Wert 0 annimmt. Mit anderen Worten, wenn die Ausgangsspannung die durch den Referenzwert festgelegte Untergrenze erreicht, wird durch das Tastverhältnis das Maximum, also 100%, ausgeschöpft, um die nominale Heizleistung noch aufrecht zu halten. Dies ermöglicht in einfacher, vorteilhafter Weise die gegenseitige Abstimmung der Arbeits- bzw. Belastungsbereiche der elektrischen Heizung und der Energiequelle. In a further embodiment of the invention, the nominal heating power is achieved when the duty cycle of the pulse width modulation of the control signal of the controllable switch is 100% and the difference between the output voltage and the reference voltage value assumes the value 0. In other words, when the output voltage reaches the lower limit specified by the reference value, the maximum, i.e. 100%, is exhausted by the duty cycle in order to maintain the nominal heating output. This enables, in a simple, advantageous manner, the mutual coordination of the work or load areas of the electrical heater and the energy source.
In Fortführung des Gedankens wird in weiterer Ausführung der Erfindung der vorgegebene Referenzspannungswert so festgelegt, dass er dem Minimalspannungswert der Energiequelle entspricht. Auf diese Weise kann der gesamte Spezifikationsbereich der Ausgangsspannung der Energiequelle in vorteilhafter Weise genutzt und sichergestellt werden, dass die nominale Heizleistung auch am unteren Ende des Spezifikationsbereichs der Energiequelle noch erreicht werden kann. In continuation of the idea, in a further embodiment of the invention, the predefined reference voltage value is established in such a way that it corresponds to the minimum voltage value of the energy source. In this way, the entire specification range of the output voltage of the energy source can be used in an advantageous manner and it can be ensured that the nominal heating power can still be achieved even at the lower end of the specification range of the energy source.
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals bei etwa 50% liegt, wenn die Ausgangsspannung dem Maximalspannungswert der Energiequelle entspricht. Die Festlegung eines Wertes von 50% für das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation an der oberen Spezifikationsgrenze stellt sicher, dass bei ggf. auftretender Überspannung der Energiequelle eine Überhitzung der elektrischen Heizung und damit eine Schädigung des Systems durch die Möglichkeit der weiteren Reduzierung des Tastverhältnisses vermieden werden kann. Another embodiment of the subject matter according to the invention is characterized in that the pulse duty factor of the pulse width modulation of the control signal is approximately 50% when the output voltage corresponds to the maximum voltage value of the energy source. The definition of a value of 50% for the duty cycle of the pulse width modulation at the upper one The specification limit ensures that in the event of an overvoltage of the energy source, overheating of the electrical heater and thus damage to the system through the possibility of further reducing the pulse duty factor can be avoided.
In weiterer Folge kann eine Ausführung der Erfindung dadurch bestimmt sein, dass der Minimalspannungswert der Energiequelle 9V oder 36V beträgt und dass der Maximalspannungswert der Energiequelle 14V oder 52V beträgt und dass die nominale Heizleistung der elektrischen Heizung auf 2,5kW oder 4kW festgelegt ist. Mit diesen Werten wird Bezug genommen auf zwei etablierte Auslegungen von Bordnetzsystemen von Kraftfahrzeugen, in welchen das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft zur Anwendung kommen kann. Zum einen wird Bezug genommen auf ein 12V Bordnetzsystem wobei der spezifizierte Arbeitsbereich der Energiequelle zwischen 9V und 14V liegt und die nominale Heizleistung aufgrund der niedrigeren Spannung auch nur bei 2,5 kW liegt. Andererseits wird Bezug genommen auf ein 48V Bordnetzsystem wobei der spezifizierte Arbeitsbereich der Energiequelle zwischen 36V und 52V liegt und die nominale Heizleistung aufgrund der höheren Spannung auf einen Wert von 4 kW ausgelegt sein kann. Furthermore, an embodiment of the invention can be determined in that the minimum voltage value of the energy source is 9V or 36V and that the maximum voltage value of the energy source is 14V or 52V and that the nominal heating power of the electric heater is set at 2.5kW or 4kW. With these values, reference is made to two established designs of on-board electrical systems of motor vehicles, in which the method according to the invention can advantageously be used. On the one hand, reference is made to a 12V on-board network system, where the specified working range of the energy source is between 9V and 14V and the nominal heating power is only 2.5 kW due to the lower voltage. On the other hand, reference is made to a 48V on-board network system, whereby the specified working range of the energy source is between 36V and 52V and the nominal heating output can be designed to a value of 4 kW due to the higher voltage.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Heizung eines Katalysators, mit einem steuerbaren Schalter, der die elektrische Heizung mit einer eine Ausgangsspannung bereitstellenden Energiequelle verbin det, welche Ausgangsspannung über einen von einem Minimalspannungswert zu einem Maximalspannungswert reichenden Spannungsbereich vorgegeben ist, aber auch Spannungen außerhalb dieses Spannungsbereichs annehmen kann, und mit einer Steuereinheit, die eingerichtet ist, die Ausgangsspannung zu erfassen und abhängig von einem Differenzwert der erfassten Ausgangsspannung zu einem vorgegebenen Referenzspannungswert den steuerbaren Schalter pulsweitenmoduliert mit einem Tastverhältnis öffnend und schließend anzusteuern, wobei die Steuereinheit außerdem dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einer der vorgenannten Ausführungen auszuführen. The invention also relates to a device for operating an electrical heater for a catalytic converter, with a controllable switch that connects the electrical heater to an energy source providing an output voltage, which output voltage is specified over a voltage range ranging from a minimum voltage value to a maximum voltage value, but also voltages outside this voltage range, and with a control unit that is set up to detect the output voltage and, depending on a difference value of the detected output voltage to a predetermined reference voltage value, to open and close the controllable switch in a pulse-width modulated manner with a duty cycle, the control unit also being set up to do so to carry out a method according to one of the aforementioned embodiments.
Bei einer weiteren Ausführung der Vorrichtung ist der Schalter Bestandteil eines DC-DC-Wandlers. Dies ermöglicht eine integrierte, kostgengünstige Gestaltung der Vorrichtung. Dabei kann der DC-DC-Wandler als Abwärtswandler ausgeführt sein. In a further embodiment of the device, the switch is part of a DC-DC converter. This enables an integrated, inexpensive design of the device. The DC-DC converter can be designed as a step-down converter.
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren und eine Vorrichtung, um die Heizleistung des elektrisch beheizten Katalysators über einen erlaubten Spannungsbereich einer Spannungsversorgung auf einer nominalen Heizleistung zu stabilisieren.The invention thus relates to a method and a device to increase the heating power of the electrically heated catalytic converter over a permitted voltage range to stabilize a voltage supply at a nominal heating power.
Dazu wird in einer Ausführung beispielsweise die geforderte nominale Heizleistung der elektrischen Heizung des Katalysators nicht mehr auf die Nominalspannung der Energiequelle, sondern auf die minimal zulässige Spannung der Energiequelle bzw. Spannungsversorgung ausgelegtt und dann durch eine Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals für den Schalter, der die elektrische Heizung mit der Batterie verbindet, die Heizleistung bei höheren Ausgangsspannungen der Energiequelle durch Anpassung des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation auf nominale Heizleistung geregelt. Das bedeutet, das bei höheren Ausgangsspannungen der Energiequelle ein geringeres Tastverhältnis des Ansteuersignals für den Schalter erforderlich ist, um die geforderte nominale Heizleistung einzustellen. For this purpose, in one embodiment, for example, the required nominal heating output of the electrical heating of the catalytic converter is no longer based on the nominal voltage of the energy source, but on the minimum permissible voltage of the energy source or power supply and then by pulse width modulation of the control signal for the switch that controls the electrical heating connects to the battery, the heating power is regulated at higher output voltages of the energy source by adjusting the duty cycle of the pulse width modulation to the nominal heating power. This means that with higher output voltages of the energy source, a lower pulse duty factor of the control signal for the switch is required in order to set the required nominal heating power.
Dies ist in der Figur 3 verdeutlicht. Dort ist ein zulässiger Spannungsbereich von 36 bis 52 V angegeben, wobei die nominale Heizleistung von 4 kW bei einer Referenzspannung von 36 V, die gleichzeitig die Minimalspannung des spezifizierten Arbeitsbereichs der Energiequelle darstellt, erzielt werden soll. Um diese Heizleistung von 4 kW über den gesamten Spannungsbereich zwischen 36 V und 52 V beizubehalten, also bei höherer Ausgangsspannung der Energiequelle keine erhöhte Heizleistung zu erzeugen, wird das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals für den Schalter, der die Energiequelle bzw. Batterie mit der elektrischen Heizung des Katalysators verbindet von 100 % bei 36 V fortlaufend auf etwa 50 % bei Erreichen des spezifizierten Maximalwertes der Ausgangsspannung der Energiequelle bei 52 V reduziert. This is illustrated in FIG. 3. There a permissible voltage range of 36 to 52 V is specified, whereby the nominal heating power of 4 kW should be achieved with a reference voltage of 36 V, which at the same time represents the minimum voltage of the specified working range of the energy source. In order to maintain this heating output of 4 kW over the entire voltage range between 36 V and 52 V, i.e. not to generate increased heating output with a higher output voltage of the energy source, the duty cycle of the pulse width modulation of the control signal for the switch that connects the energy source or battery to the electrical Heating of the catalytic converter connects continuously from 100% at 36 V to around 50% when the specified maximum value of the output voltage of the energy source at 52 V is reached.
Durch diese vorteilhafte Steuerung der Heizleistung kann eine konstante Einhaltung der nominalen Heizleistung über den gesamten zulässigen spezifizierten Spannungsbereich der Energiequelle erreicht werden. Sowohl langsame als auch schnelle Spannungsänderungen, welche beispielsweise durch die Batterietechnologie und das Spannungsnetz bzw. die daran angeschlossenen Verbraucher beeinflusst werden, können somit durch die schnelle Reaktion und Regelung der Pulsweitenmodulation kompensiert werden. Außerdem ist die Katalysatoraufheizung in jedem Fahrzyklus und über den gesamten vorgegebenen Bereich der Ausgangsspannung der Energiequelle bzw. Batteriespannung keinen unvorhersehbaren Schwankungen ausgesetzt, sondern berechenbar gleichbleibend. In einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Schalter Bestandteil eines DC-DC-Wandlers sein, wobei der DC-DC-Wandler dann vorzugsweise als Abwärtswandler ausgebildet ist. This advantageous control of the heating output enables constant compliance with the nominal heating output over the entire permissible specified voltage range of the energy source. Both slow and fast voltage changes, which are influenced, for example, by the battery technology and the voltage network or the consumers connected to it, can thus be compensated for by the fast reaction and regulation of the pulse width modulation. In addition, the catalytic converter heating is not exposed to any unpredictable fluctuations in each driving cycle and over the entire specified range of the output voltage of the energy source or battery voltage, but rather remains constant in a calculable manner. In one embodiment of the device according to the invention, the switch can be part of a DC-DC converter, the DC-DC converter then preferably being designed as a step-down converter.
Das Verfahren und die Vorrichtung können vorteilhaft sowohl für benzin- als auch für dieselbetriebene Verbrennungsmotoren vorzugsweise in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Dabei kann der Katalysator an jedem beliebigen Ort im Abgasstrang angebracht sein. The method and the device can advantageously be used both for gasoline-powered and diesel-powered internal combustion engines, preferably in motor vehicles. The catalytic converter can be attached at any location in the exhaust system.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigen The invention is to be described in more detail below on the basis of an exemplary embodiment with the aid of figures. Show it
Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, 1 shows a basic arrangement of a device according to an embodiment,
Fig. 2 eine Darstellung der Spannungs- und Heizleistungsbereiche bei einer ungeregelten Heizungsteuerung und 2 shows a representation of the voltage and heating power ranges in the case of an unregulated heating control and
Fig. 3 eine Darstellung der Spannungs- und Heizleistungsbereiche bei einer erfindungsgemäß geregelten Heizungsteuerung. 3 shows a representation of the voltage and heating power ranges in the case of a heating control regulated according to the invention.
Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 , die einen Abgasstrang 2 aufweist, in dem ein Katalysator 3 verbaut ist. Der Katalysator 3 weist eine elektrische Heizvorrichtung 4 auf, die den Katalysator 3 auf eine vorgegebene Betriebstemperatur aufheizt. Die Heizvorrichtung 4 wird von einer Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie 5 oder einem Kondensator als Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt. Im Folgenden wird das Ausführungsbeispiel anhand einer Batterie 5 erläutert. 1 shows an internal combustion engine 1 which has an exhaust line 2 in which a catalytic converter 3 is installed. The catalytic converter 3 has an electrical heating device 4 which heats the catalytic converter 3 to a predetermined operating temperature. The heating device 4 is supplied with electrical energy from a voltage source, for example a battery 5 or a capacitor as an energy store. The exemplary embodiment is explained below using a battery 5.
Die Batterie 5 ist mit einem Pluspol über eine erste Versorgungsleitung 11 an die Heizvorrichtung 4 angeschlossen. Der Minuspol ist über eine zweite Versorgungsleitung 12 und einen Schalter 13 ebenfalls mit der Heizvorrichtung 4 verbunden. Die Batterie kann eine Nennspannung von 12 V, also die Spannung einer herkömmlichen Fahrzeugbatterie, oder eine Nennspannung von 48 V haben Bei einer Fahrzeugbatterie mit einer Nennspannung von 48 V ist ein zulässiger Spannungsbereich beispielsweise von 36 V bis 52 V spezifiziert. Statt die Batterie 5 lediglich über eine Schalter 13 mit der Heizvorrichtung 4 zu verbinden, kann auch ein DC-DC-Wandler verwendet werden, der den Schalter 13 aufweist. The battery 5 is connected to the heating device 4 with a positive pole via a first supply line 11. The negative pole is also connected to the heating device 4 via a second supply line 12 and a switch 13. The battery can have a nominal voltage of 12 V, i.e. the voltage of a conventional vehicle battery, or a nominal voltage of 48 V. For a vehicle battery with a nominal voltage of 48 V, a permissible voltage range of, for example, 36 V to 52 V is specified. Instead of simply connecting the battery 5 to the heating device 4 via a switch 13, a DC-DC converter which has the switch 13 can also be used.
In einer einfachen Ausbildung weist die Heizvorrichtung 4 als Heizelement beispielsweise einen Widerstandsdraht auf. Es ist zudem ein Steuergerät 6 vorgesehen, das über einen Datenbus 8 mit der Brennkraftmaschine 1 , über eine zweite Messleitung 9 mit der zweiten Versorgungsleitung 12, über eine erste Messleitung 10 mit der ersten Versorgungsleitung 11 und über eine Steuerleitung 7 mit dem ansteuerbaren Schalter 13 verbunden ist. Das Steuergerät 6 ist zudem über eine Sensorleitung 15 mit einem Temperatursensor 14 verbunden, der am Katalysator 3 angeordnet ist. In a simple embodiment, the heating device 4 has, for example, a resistance wire as a heating element. A control unit 6 is also provided, which is connected to the internal combustion engine 1 via a data bus 8, to the second supply line 12 via a second measuring line 9, to the first supply line 11 via a first measuring line 10 and to the controllable switch 13 via a control line 7 is. The control unit 6 is also connected via a sensor line 15 to a temperature sensor 14 which is arranged on the catalytic converter 3.
Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über einen Luftmassenmesser 18, der im Ansaugkanal angeordnet ist und die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse misst. Weiterhin verfügt die Brennkraftmaschine 1 über einen Kühler 16, der mit Kühlflüssigkeit gefüllt ist, die über Kühlkanäle, die in die Brennkraftmaschine eingebracht sind, die Brennkraftmaschine kühlt. Zudem ist ein Generator 19 an der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen, der von der Brennkraftmaschine angetrieben wird und über eine Ladeleitung 20 die Batterie 5 auflädt. The internal combustion engine 1 has an air mass meter 18 which is arranged in the intake duct and measures the air mass drawn in by the internal combustion engine. Furthermore, the internal combustion engine 1 has a cooler 16 which is filled with cooling liquid, which cools the internal combustion engine via cooling ducts which are introduced into the internal combustion engine. In addition, a generator 19 is provided on the internal combustion engine 1, which is driven by the internal combustion engine and charges the battery 5 via a charging line 20.
Das Steuergerät 6 steuert in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine 1 , der Spannung der Batterie 5 und der Temperatur des Katalysators 3 die elektrische Heizvorrichtung 4, mit der der Katalysator 3 auf seine vorgegebene Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Depending on parameters of the internal combustion engine 1, the voltage of the battery 5 and the temperature of the catalytic converter 3, the control unit 6 controls the electrical heating device 4 with which the catalytic converter 3 is heated to its predetermined operating temperature.
Eine Temperaturregelung des Katalysators 3 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Steuergerät 6 beim Start der Brennkraftmaschine 1 die Temperatur des Katalysators 3 misst. Danach vergleicht das Steuergerät 6 die gemessene Temperatur des Katalysators 3 mit einer im Speicher 17 abgelegten vorgegebenen Katalysatortemperatur. Die abgelegte Katalysatortemperatur entspricht vorzugsweise der optimalen Betriebstemperatur des Katalysators von beispielsweise 350°C. Ergibt der Vergleich, dass die gemessene Katalysatortemperatur größer oder gleich der abgelegten Katalysatortemperatur ist, so wird keine elektrische Beheizung des Katalysators vorgenommen, da der Katalysator 3 ausreichend warm ist. Anderenfalls wird der Schalter 12 derart angesteuert, dass die Heizvorrichtung 4 mit nominaler Heizleistung arbeitet, bis der Katalysator die Betriebstemperatur erreicht hat. Die Fig. 2 zeigt die quadratische Abhängigkeit der Heizleistung von der angelegten Batteriespannung. Dabei weist im dargestellten Beispiel die Batteriespannung einen spezifizierten Ausgangsspannungsbereich II von 36 V bis 52 V auf. Dadurch ergibt sich aufgrund des Widerstands der Heizung ein Heizleistungsbereich I von 2,25 kW bis 4,69 kW. Bei der Nominalspannung von 48 V wird die gewünschte Heizleistung von 4 kW erreicht. Dies ist mit einem Punkt III dargestellt. The temperature of the catalytic converter 3 can be regulated, for example, in that the control device 6 measures the temperature of the catalytic converter 3 when the internal combustion engine 1 is started. The control unit 6 then compares the measured temperature of the catalytic converter 3 with a predetermined catalytic converter temperature stored in the memory 17. The stored catalyst temperature preferably corresponds to the optimum operating temperature of the catalyst of 350 ° C., for example. If the comparison shows that the measured catalytic converter temperature is greater than or equal to the stored catalytic converter temperature, no electrical heating of the catalytic converter is carried out since the catalytic converter 3 is sufficiently warm. Otherwise, the switch 12 is controlled in such a way that the heating device 4 operates with nominal heating power until the catalytic converter has reached operating temperature. FIG. 2 shows the quadratic dependence of the heating power on the applied battery voltage. In the example shown, the battery voltage has a specified output voltage range II of 36 V to 52 V. Due to the resistance of the heater, this results in a heating power range I from 2.25 kW to 4.69 kW. At the nominal voltage of 48 V, the required heating output of 4 kW is achieved. This is shown with a point III.
Einen Verlauf der Heizleistung und des Tastverhältnisses eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals für den Schalter 12 bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die Fig. 3. Der spezifizierte Ausgangsspannungsbereich IV der Batteriespannung liegt wieder zwischen 36 V und 52 V. Allerdings ist nun die gewünschte Heizleistung von 4 kW bereits bei dem als Referenzspannung herangezogen Minimalspannungswert, dieses Ausgangsspannungsbereich IV erreicht, was mit V dargestellt ist. Danach wird die Heizleistung durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Schalters 12 der Heizanordnung gemäß Fig. 1 auf einen konstanten Wert von 4 kW geregelt. Hierzu muss das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals abhängig von dem ermittelten aktuellen Wert der Batteriespannung eingestellt werden. Die Abhängigkeit des Tastverhältnis von der Batteriespannung ist mit einem Verlauf VII dargestellt. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist liegt an dem Punkt der Minimalspannung des Ausgangsspannungsbereich IV das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation (PWM) bei 100% und nimmt mit steigender Batteriespannung derart ab, dass die Heizleistung konstant bei 4 kW gehalten wird. A curve of the heating power and the duty cycle of a pulse-width-modulated control signal for the switch 12 when using the method according to the invention or using a device according to the invention is shown in FIG. 3. The specified output voltage range IV of the battery voltage is again between 36 V and 52 V. Heating output of 4 kW already at the minimum voltage value used as the reference voltage, this output voltage range IV reaches, which is represented by V. Thereafter, the heating power is regulated to a constant value of 4 kW by a pulse-width-modulated control of the switch 12 of the heating arrangement according to FIG. 1. For this purpose, the pulse duty factor of the pulse-width-modulated control signal must be set as a function of the determined current value of the battery voltage. The dependence of the pulse duty factor on the battery voltage is shown with a curve VII. As can be seen in FIG. 3, at the point of the minimum voltage of the output voltage range IV, the duty cycle of the pulse width modulation (PWM) is 100% and decreases with increasing battery voltage such that the heating power is kept constant at 4 kW.

Claims

Patentansprüche Claims
1 . Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizung (4) eines Katalysators (3), wobei die elektrische Heizung (4) über einen steuerbaren Schalter (12) mit einer eine Ausgangsspannung bereitstellenden Energiequelle (5) verbunden ist, welche Ausgangsspannung über einen von einem Minimalspannungswert zu einem Maximalspannungswert reichenden Spannungsbereich (II; IV) spezifiziert ist, aber auch Spannungen außerhalb dieses Spannungsbereichs (II; IV) annehmen kann, wobei eine Steuereinheit (6) die Ausgangsspannung erfasst und abhängig von einem Differenzwert der erfassten Ausgangsspannung zu einem vorgegebenen Referenzspannungswert den steuerbaren Schalter (12) pulsweitenmoduliert mit einem Tastverhältnis öffnend und schließend ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem positiven Differenzwert der Ausgangsspannung zum Referenzspannungswert, die Steuereinheit (6) den steuerbaren Schalter (12) pulsweitenmoduliert mit derart angepasstem Tastverhältnis ansteuert, dass eine Heizleistung der elektrischen Heizung (4) einer vorgegebenen nominalen Heizleistung entspricht. 1 . A method for operating an electrical heater (4) of a catalytic converter (3), the electrical heater (4) being connected via a controllable switch (12) to an energy source (5) providing an output voltage, which output voltage varies from a minimum voltage value to a Maximum voltage value reaching voltage range (II; IV) is specified, but can also accept voltages outside this voltage range (II; IV), whereby a control unit (6) detects the output voltage and depending on a difference value of the detected output voltage to a predetermined reference voltage value, the controllable switch ( 12) pulse width modulated with a duty cycle controls opening and closing, characterized in that with a positive difference value of the output voltage to the reference voltage value, the control unit (6) controls the controllable switch (12) pulse width modulated with a duty cycle adjusted in such a way that a heating power of the electric heater (4) corresponds to a predetermined nominal heating power.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mit abnehmendem Differenzwert der Ausgangsspannung zum Referenzspannungswert das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals des steuerbaren Schalters (12) zunimmt. 2. The method according to claim 1, characterized in that as the difference value between the output voltage and the reference voltage value decreases, the pulse duty factor of the pulse width modulation of the control signal of the controllable switch (12) increases.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nominale Heizleistung erreicht wird, wenn das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals des steuerbaren Schalters (12) 100% beträgt und der Differenzwert der Ausgangsspannung zum Referenzspannungswert den Wert 0 annimmt. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the nominal heating power is achieved when the duty cycle of the pulse width modulation of the control signal of the controllable switch (12) is 100% and the difference value of the output voltage to the reference voltage value assumes the value 0.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Referenzspannungswert dem Minimalspannungswert der Energiequelle (5) entspricht. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the predetermined reference voltage value corresponds to the minimum voltage value of the energy source (5).
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals bei etwa 50% liegt, wenn die Ausgangsspannung dem Maximalspannungswert der Energiequelle (5) entspricht. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the duty cycle of the pulse width modulation of the control signal is around 50% when the output voltage corresponds to the maximum voltage value of the energy source (5).
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimalspannungswert der Energiequelle (5) 9V oder 36V beträgt und dass der Maximalspannungswert der Energiequelle (5) 14V oder 52V beträgt und dass die nominale Heizleistung der elektrischen Heizung auf 2,5kW oder 4kW festgelegt ist. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the minimum voltage value of the energy source (5) is 9V or 36V and that the maximum voltage value of the energy source (5) is 14V or 52V and that the nominal heating power of the electric heater is set to 2, 5kW or 4kW is specified.
7. Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Heizung (4) eines Katalysators (3), mit einem steuerbaren Schalter (12), der die elektrische Heizung (4) mit einer eine Ausgangsspannung bereitstellenden Energiequelle (5) verbindet, welche Ausgangsspannung über einen von einem Minimalspannungswert zu einem Maximalspannungswert reichenden Spannungsbereich (II; IV) vorgegeben ist, aber auch Spannungen außerhalb dieses Spannungsbereichs (II; IV) annehmen kann, mit einer Steuereinheit (6), die eingerichtet ist, die Ausgangsspannung zu erfassen und abhängig von einem Differenzwert der erfassten Ausgangsspannung zu einem vorgegebenen Referenzspannungswert den steuerbaren Schalter (12) pulsweitenmoduliert mit einem Tastverhältnis öffnend und schließend anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) außerdem dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen. 7. Device for operating an electric heater (4) of a catalytic converter (3), with a controllable switch (12) which connects the electric heater (4) to an energy source (5) which provides an output voltage and which has an output voltage above a minimum voltage value to a maximum voltage value reaching voltage range (II; IV) is specified, but can also accept voltages outside this voltage range (II; IV), with a control unit (6) which is set up to detect the output voltage and dependent on a difference value of the detected output voltage to control the controllable switch (12) with a pulse width modulated opening and closing at a predetermined reference voltage value with a pulse duty factor, characterized in that the control unit (6) is also set up to carry out a method according to one of claims 1 to 6.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Schalter 13 Bestandteil eines DC-DC-Wandlers ist. 8. The device according to claim 7, wherein the switch 13 is part of a DC-DC converter.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der DC-DC-Wandler ein Abwärtswandler ist. 9. The apparatus of claim 8, wherein the DC-DC converter is a buck converter.
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