CN101647130A - 用于给电容性元件充电的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于给一种电容性元件充电和/或放电的方法和装置。如果该充电电流超过一个预给定的充电电流阈值，那么一个可控开关就被控制以断开该充电电流。在该电容性元件被充电到该预给定的充电电压期间，该充电电流阈值被改变。如果在该可控开关的在前控制之后经过了一个给定的时间段，和/或该充电电流低于该预先预给定的充电电流阈值，那么该可控开关被重新控制以把该充电电流输入到该电容性元件中。相应地还进行一个放电过程。
Description
当前技术
本发明涉及用于把电容性元件充电到一个预给定的充电电压的方法和装置，其中给该电容性元件耦合入充电电流。
在很多电气技术应用中，需要对电容性元件如诸如电容器以及具有特定电容的执行器、尤其压电执行器来进行控制，并在真正控制之前进行预充电。比如电容性致动器(Stellglieder)如压电执行器作为在机动车内燃机喷射系统的阀单元被使用，因为其是精确可控的并且实现了至相应燃烧室中按照需求的燃料喷射。
比如在DE 102004037720A1中示出了一种控制电路，该控制电路也实现了用于给压电执行器充电和放电的简单方法。在给该压电致动器充电时所产生的充电电流通常必须被限制，以不损坏所采用的半导体元件。从而大多通过接通和断开充电电流源来获得脉动的(gepulster)充电电流，直至达到所期望的充电电压。在出现相应压电执行器的所期望的充电电压之后，该执行器作为致动器而被激活，以便比如释放阀开启。在此所期望的是，能够尽可能精确地确定在运行中的充电电压时间曲线，以便能够高效地进行相应发动机的燃料喷射。
从而本发明的一个任务在于，提供用于将电容性元件充电到充电电压的一种改善的方法和装置。
本发明的公开
该任务通过根据权利要求1所述的一种方法、根据权利要求9所述的计算机程序和根据权利要求10所述的装置而得到解决。
该装置在此尤其适合于实施用于借助充电电流及放电电流来给电容性元件充电和/或放电的方法。在此如果该充电电流超过一个预确定的充电电流阈值，那么可控开关就被控制来断开该充电电流。在该电容性元件被充电到该预给定的充电电压期间，该充电电流阈值被改变。如果在该可控开关的在前控制之后经过了一个预给定时间段，和/或如果该充电电流低于该预给定的充电电流阈值，那么该可控开关就被重新控制来将该充电电流耦合入该电容性元件。
通过改变该充电电流阈值，可以通过充电电流的控制把在该电容性元件上所产生的充电电压的曲线灵活地与比如在将该电容性元件用作压电执行器时的要求相匹配，其中该充电电流可以具有脉动的时间曲线。在比如包含有该可控开关的多次控制的充电周期中得到充电电流，该充电电流多次超过以及低于可变的电流阈值，并从而体现为脉动的充电电流。通常，现实的可控开关都具有接通和断开延迟，从而在控制该开关时不出现瞬时的电流变化，而是出现超过和低于充电电流阈值。所述的多次控制比如可以一直被重复直到经过了一个预给定的最大充电周期时间，或者在该电容性元件上出现该预给定的充电电压。该充电电流阈值也可以被称作充电电流界限。
与该充电过程相类似，也可以实施从该电容性元件的起始充电电压到比如为0V的较低充电电压的放电。在此，把相应放电电流的绝对值与相应放电电流阈值相比较，并进行该电容性元件的脉动地放电。
在实施该方法时，可以考虑一个或多个以下的方法步骤：通过充电电流源来提供该充电电流；生成一个或多个控制信号用于控制该可控开关；通过合适的测量信号来检测该充电电流；把该充电电流与该充电电流阈值相比较；检测从该可控开关的每次控制起所经过的时间来作为间隙时间，在此该间隙时间可以被确定为在由所检测的充电电流超过或低于该充电电流阈值之间的间隔；检测一个充电周期的总时间；生成至少一个控制信号，比如用于输送给发动机控制装置。
在本发明的一个实施方案中，该方法作为计算机程序来实现，该计算机程序促使一个程序控制的计算装置来执行该程序。在此比如可以考虑把该计算机程序保存在一个存储介质如闪存、软盘、ROM或其他常见的存储介质上。它同样也可以以一种专用的或应用特定的集成电路来实现。在本发明的一个实施方案中，用于给一种电容性元件充电的该装置比如被实施为机动车发动机燃料喷射调节装置，其中作为电容性元件设置有多个阀致动器，所述电容性元件分别具有一个另外的被分配的可控开关以选择该阀致动器。
本发明的其他实施例是从属权利要求以及下述例子的主题。
附图的简述
下面借助几个实施例和附图来详细解释本发明。其中：
图1示出了一个示意电路配置，以解释所产生的电压和电流；
图2示出了用于给压电执行器充电和放电的示意电路配置；
图3示出了电容性元件的充电电流和电压的示意曲线；以及
图4示出了被控制的充电电流的时间曲线的一个例子；
在附图中相同的及功能相同的元件设置有相同的参考符号，除非另外说明。
本发明的实施方案
图1示出了一个示意电路配置，以解释在给电容性元件充电和/或放电时所产生的电流和电压。图1示出了电容性元件1，其比如体现为压电致动器，可以将充电电流IP耦合入其中。为此，在第一电位VDD与第二电位VSS之间串联连接了一个电流源3、一个可控开关2和该压电单元1。该可控开关2可以通过控制信号CTR来控制。作为可控开关比如可以考虑开关晶体管、驱动电路或其他已知的能够耦合并去耦合电流的装置。
另外比如还示出了一个电压测量装置4，其检测在该压电单元1上所具有的充电电压UP。设置于该第二电位VSS与该压电单元之间的电流测量装置5检测当前的充电电流IP。为了把该压电单元1充电到一个给定的充电电压，通过该可控开关2的闭合而向其耦合入一个充电电流，其中该充电电流可以通过该可控开关2的多次控制比如在时间上脉动地被调节。在达到该压电单元1的所期望的充电电压UP之后，或者超过该充电周期持续时间的一个最大预给定时间之后，该充电过程结束。
在图2中示出了用于给一个电容性元件充电或放电的一种装置的另一示意实施例。在按照图2的装置中设置有一个控制装置7，该控制装置比如可以作为专用集成电路来实施(ASIC＝application specificintegrated circuit，专用集成电路)，它通过控制信号HS、LS来控制可控开关2、6，其中这些可控开关比如被实施为开关晶体管。
仅仅示例地设置了一个唯一的作为压电执行器的电容性元件1，其中该电容性元件通过扼流圈14连接到在该开关晶体管2、6的可控区段之间的线路节点上，并通过电阻11连接到地。该扼流圈14在此用于限流。除了该地端子GND之外也可以选择一个任意的电位VSS。另外，两个续流二极管(Freilaufdioden)12、13与该晶体管2、6的可控区段相并联。通过该电阻11可以确定该压电执行器的充电电流IP，并将其作为测量信号输送给控制装置7。在该开关晶体管2、6的可控区段之间的充电节点上，同样分压器9、10被耦合接地，其中在该电阻9、10之间可以提取该压电执行器1的充电电压UP，或者可以检测可显示该充电电压的测量信号UP。该测量信号UP同样被输送至控制装置7。
该第一开关晶体管2的可控区段连接在该压电单元1与一个电压源8之间，其中该电压源8比如可以被构造为提供供电电压VDD的受控直流电压变换器。该第二控制晶体管6的可控区段连接在该压电单元1与地GND之间。通过借助该控制信号HS来受控地闭合该第一可控开关2也即该第一晶体管，充电电流可以被耦合入该压电执行器1中。另一方面，通过断开该第一可控开关2、也即如此控制该晶体管2，使得其可控区段是高欧姆的，并通过该控制信号LS同时地控制该第二可控开关6，使得该第二晶体管的可控区段是低欧姆的，可以实现对该压电执行器1的放电。
该控制装置7可以理解为机动车发动机燃料喷射调节装置的组成部分，其中在此比如单个示出的压电单元1被用作阀致动器。可以考虑对该电路配置12进行扩展，其中并行地设置另外的单个的比如通过选择开关的可控的压电致动器，其相应的充电电流强度IP可以由该调节装置或控制装置来检测并调节。在下文中详细解释该压电执行器1的充电及放电过程的控制。
为此在图3中示出了充电电流和充电电压的多个电流和电压曲线。
图3A示出了充电电流I1的时间曲线(实线)以及所产生的充电电压U1(点划线)，其中选择了一个固定的充电电流阈值IB1(虚线)。在时间点t0处，首先该充电电流被输入到该压电单元中。倘使该充电电流在时间点t1处超过一个固定预给定的充电电流阈值，那么可控开关就被断开，以限制该充电电流。当然由于该开关的惯性，直到该充电电流下降并在时间点t2低于该固定的充电电流阈值IB1，首先产生该充电电流的进一步上升。在此该扼流圈14也可以进行电流限制。之后相应的可控开关、比如图2中的晶体管2的开关被闭合，使得在一定的闭合延迟之后该充电电流再次上升。在采用一个固定的充电电流阈值IB1时，如在图3A中所示，通过脉动的充电电流I1基本获得一个线性的充电电压上升U1。该过程一直被重复，直到达到一个期望的电压或者经过一个预给定的最大充电时间。比如在一个时间点t6处达到了所期望的预给定的充电电压U1，并且充电电流被中断，从而它又返回到实际的0。所述的预给定的充电电压比如可以为直至200V。
在用于充电或放电的应用或方法的一个实施方案中，现在该充电电流阈值在从t0到t6的充电周期期间被改变。在图3B中示出了一个充电电流阈值IB2，在通过重复地耦合入和断开到该压电单元1的充电电流I2的充电曲线中该充电电流阈值上升。这种上升比如可以通过预给定一个起始充电电流阈值IB20以及该曲线的斜率来预给定，其中该斜率在图3B中是正的。通过变化的充电电流阈值IB2，得到了相对于图3A改变的充电电压U2电压曲线。通过分压器9、10由该控制装置7测量的充电电压U2具有一个明显非线性的曲线。
在图3C中示出了充电电流I3和充电电压U3的另一曲线，其中所述可变充电电流阈值IB3的斜率是负的，从而在t0和t6之间的充电周期的过程中、也即直至达到预给定的期望充电电压U3，所产生的充电电流最大值下降。在机动车应用中，也即在用于把电容性元件1充电或预充电到一个预给定的充电电压的方法的应用中，时间段t6-t0通常为100-150微秒，其中比如可以出现10次超过和低于该充电电流阈值。
在一次相应超过和低于该充电电流阈值、比如在t1与t2之间的充电电流曲线也被称作(充电或放电)电流三角。该可控开关的接通与断开延迟对充电电流曲线的影响可以借助图4来详细解释。
图4示出了充电电流IP的曲线，如它例如可能出现于图2的装置12中。其设置有变化的电流阈值，该电流阈值具有阶梯状曲线。如果在该装置7中进行电流和电压数据的数字控制，并从而必须进行对连续存在的电流和电压测量的数-模转换和模-数转换，那么该电流阈值的阶梯状时间曲线IB比如可以通过电流阈值的预给定连续曲线IB`的量化来得出。
图4首先示出了电流曲线IP、用于该可控开关2或晶体管2的可能的控制信号HS、以及指示信号BS，其中该指示信号输出给该控制装置7，用于给其他的装置比如机动车的发动机控制装置指示该充电周期的持续时间。用EV来表示该晶体管2的时间上的接通延迟，用AV来表示相应的断开延迟，并用LZ来表示间隙时间，该间隙时间表示在控制该晶体管2断开和闭合之间的时间段。
在时间点t0处，控制装置7开始该充电周期，并比如把用于控制或断开该开关晶体管2的控制信号HS设置为逻辑H电平。该晶体管2从而导通。该控制装置7比如以编程的形式已经存储有该充电电流阈值的时间曲线，或者比如通过一个编程信号PRG从发动机控制装置中以起始值IB0和斜率的形式来获取该充电电流阈值的时间曲线。在该晶体管2的接通延迟EV之后，该充电电流IP上升，并在时间点t1处超过该充电电流阈值IB。该控制装置7在时间点t1处识别到该充电电流阈值的超过，并把该开关晶体管2的控制信号HS设置为逻辑0。同时该间隙时间LZ开始，该间隙时间由该控制装置7来检测或预给定。
由于该开关晶体管2的惯性，该充电电流进行继续的短的上升，该充电电流然后下降，并在时间点t2处重新低于充电电流阈值IB这由该控制装置7所寄存。在所示的实施例中，总是在该充电电流低于当前的充电电流阈值时该充电电流阈值IB被改变，其中该当前充电电流阈值在t1和t2之间的第一充电三角中还是IB0。在该时间点t2处该控制装置7从而把该充电电流阈值调高为的量化值IB1，该量化值由IB`的斜率α、所经过的时间t2和起始值IB0根据IB(t2)＝IB0+(t2-t0)·α而得出。在一个短的重新接通延迟EV之后，现在该充电电流上升，并在时间点t3处又超过当前的充电电流阈值IB，于是如在t1和t2之间的第一充电三角中一样，该间隙时间的开始被检测，并且该控制开关2的控制信号HS被匹配或者被设置为逻辑L电平。
在重新低于该充电电流阈值IB之后，该充电电流阈值被更新并被设置为值IB2。在时间点t5处该充电电流IP重新超过当前的充电电流阈值IB，从而该可控开关2重新被断开。如果或者经过了一个预给定的最大周期时间、或者达到了比如为200V的预给定的充电电压，那么该充电周期然后比如完全结束。这比如在图4中在时间点t5之后就可以是这种情况，从而该晶体管2在该充电周期之后的时间中不再被重新闭合，并且该控制信号HS在t5之后保持为逻辑L电平。如果该充电电流基本恢复到零，那么该充电周期在时间点t6处结束。该充电周期的持续时间通过该信号BS来示出。
另外还可以考虑的是，并不仅仅是超过相应的当前充电电流阈值才导致通过闭合该晶体管2来重新耦合入该充电电流，而且还进行一种验证：是否经过了一个间隙时间、也即连续耦合入该充电电流的最大持续时间。作为重新闭合该开关2的条件则必须是低于该电流阈值以及经过了预给定的间隙时间长度。
通过变化的电流阈值，如在图3中所示，得到了充电电压的非线性曲线，使得比如在机动车的确定的运行状态中可以精确地进行燃料喷射。在变化的充电电流阈值IB为正斜率的情况下，比如首先在充电电压中进行较小的上升，而朝向该充电周期的末尾进行更陡峭的上升。另一方面，如在图3C中所示，朝向该充电周期的末尾可以宁愿得到弱变化的充电电压，其在用于调节发动机的点火时间点的特定状况中可能是更合适的。
虽然本发明借助各个实施例而被详细解释，但它并不局限于此，而是可以进行多种变化。其尤其并不是仅局限于一种压电执行器的充电，而是可以应用于其他多种电容性元件中。类似于所示的充电过程曲线，通过在相应的放电过程中改变放电电流阈值也得到了放电电压的更合适的时间变化。在放电过程中，如相应借助图2的例子所解释的，该第二开关晶体管6被控制，以能够使放电电流流向地。然而原理上得到了如在充电中相同的过程，只要在附图中假定负的放电电流、也即该压电单元的放电，并且在考虑所检测的电流的绝对值的情况下来进行与电流阈值的比较。除了在燃料喷射系统中充电及放电方法的应用之外，其中压电执行器被用作阀调节元件，另外还可以考虑其他的应用领域。也可以考虑相应充电电流阈值的改变，即预给定最大和最小电流界限，从而预给定一个电流阈值范围，并在该范围中在该电容性元件的充电或放电期间来进行改变。
Claims (16)
1.用于借助充电电流(IP)将电容性元件(1)充电到预给定的充电电压(UP)的方法，其中如果该充电电流(IP)超过预给定的电流阈值(IB)，则控制可控开关(2)以断开该充电电流(IP)，并且如果在该可控开关(2)的在前控制之后经过了预给定的时间段(LZ)和/或该充电电流(IP)低于所述预确定的充电电流阈值(IB)，则重新控制该可控开关(2)以耦合入该充电电流(IP)，并且其中在将该电容性元件(1)充电到该预给定的充电电压(VP)期间改变该充电电流阈值(IB)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，直到该电容性元件(1)达到该预给定的充电电压(UP)，该可控开关(2)多次被控制，使得该充电电流(IP)多次地超过和低于所述充电电流阈值(IB)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果该充电电流(IP)在该可控开关(2)的第一控制之后上升，并在该可控开关(2)的之后的第二控制时下降低于所述充电电流阈值(IB)，则进行所述充电电流阈值(IB)的改变。
4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，以预给定的等级来改变所述充电电流阈值(IB)。
5.根据权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，根据所述充电电流阈值(IB)的预给定的起始值(IB0)和预给定的斜率(α)来进行该充电电流阈值(IB)的改变。
6.根据权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，该可控开关(2)的控制一直被重复，直到经过了预给定的充电周期时间和/或该电容性元件(1)已经达到了该预给定的充电电压(UP)。
7.根据权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，该预给定的充电电压(UP)低于该电容性元件(1)的当前充电电压，其中将该充电电流的绝对值与该充电电流阈值相比较，并通过该方法来进行该电容性元件(1)的脉动地放电。
8.根据权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，实施以下的方法步骤中的一个或多个：
-通过充电电流源(3)来提供充电电流，
-控制该可控开关(2)以将由该充电电流源(3)所提供的充电电流耦合入该电容性元件(1)，
-生成用于控制该可控开关(2)的控制信号(HS，LS)，
-检测该充电电流或放电电流，
-将该充电电流(IP)与所述充电电流阈值(IB)相比较，
-检测自该可控开关(2)的每次控制起所经过的时间，来作为间隙时间(LZ)，
-把该间隙时间(LZ)与预给定的间隙时间阈值相比较，
-检测所经过的充电周期时间，
-生成控制信号(BS)。
9.计算机程序，其促使程序控制的计算装置来实施根据权利要求1-8之一所述的方法。
10.用于利用控制电路(7)、尤其实施根据前述权利要求至少之一所述方法的专用集成电路(ASIC)借助被耦合入的充电电流(IB)或放电电流来把电容性元件(1)充电或放电到预给定的充电电压(UP)或放电电压的装置(12)。
11.根据权利要求10所述的装置(12)，其特征在于，该电容性元件(1)具有致动器、尤其是压电致动器。
12.根据权利要求10或11所述的装置(12)，其特征在于，该可控开关(2)具有预给定的接通延迟和/或断开延迟(EZ，AZ)。
13.根据权利要求10-12之一所述的装置(12)，其特征在于，该可控开关(2)被构造为开关晶体管、尤其是MOSFET或IGBD(insulatedgate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管)。
14.根据权利要求10-13之一所述的装置(12)，其特征在于，该装置被构造为机动车发动机燃料喷射调节装置，其中设置有多个阀致动器来作为分别具有所属的可控开关的电容性元件。
15.根据权利要求10-14之一所述的装置(12)，其特征在于，该控制电路(12)接收至少一个电流测量信号(IP)，并为至少一个可控开关生成控制信号(HS，LS)。
16.根据权利要求10-15之一所述的装置(12)，其特征在于，该控制电路是可编程的，并执行根据权利要求11所述的计算机程序。
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