CN107918057A - 点火线圈初级电感的测量方法及其测量系统 - Google Patents

点火线圈初级电感的测量方法及其测量系统 Download PDF

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鲜志刚
宋佳敏
曹银波
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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2611—Measuring inductance

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

本发明提供了一种点火线圈初级电感的测量方法及其测量系统，首先提供一点火线圈的测量电路，并控制所述测量电路闭合；采集点火线圈所在测量电路中的电量参数，并根据所述电量参数利用能量守恒定律计算出点火线圈的初级电感；并根据此测量方法得出相应的测量系统。在本发明提供的点火线圈初级电感的测量方法及其测量系统中，可以获得点火线圈初级绕组的动态等效电感，有效防止因电流的变化造成点火线圈初级电感测量的误差，比在离线状态下直接用测试仪测得的初级电感更为准确；进一步，可以获得安装到发动机上每个点火线圈在不同温度下的随电流变化而变化的动态等效电感，以此为基础，可以精确计算点火控制所需要的相关参数。

Description

点火线圈初级电感的测量方法及其测量系统
技术领域
本发明涉及发动机点火线圈领域，特别涉及一种点火线圈初级电感的测量方法及其测量系统。
背景技术
随着汽车工业的蓬勃发展，车辆综合成本的增加和排放相关的环境保护受到越来越多的关注。汽车工业加速研究新的动力系统以降低燃油消耗、提高功率密度和增强车辆鲁棒性。作为汽车动力系统的重要部分，点火系统对系统效率的提高、排放污染的降低和鲁棒性的增加做出了显著贡献。
线圈点火是当前汽油发动机、天然气发发动机、氢气发动机和其他燃料发动机的主要点火形式。线圈点火系统的点火控制通过电子控制单元(Electronic Control Unit，简称ECU)中的微处理器来控制。依靠曲轴传感器和凸轮轴传感器提供的发动机位置信息实现点火正时的精确控制。
线圈点火系统主要由点火线圈、点火驱动功率级、ECU和火花塞组成。点火线圈初级电感作为点火控制和点火保护最重要的参数之一，现有技术只能通过离线，发动机熄火时，实验室利用LCR测试仪静态测量点火线圈的初级电感。而在发动机实际运行时，点火线圈初级电感随着初级电流的增加而变化，其变化中的数值与静态电感相比有非常大的差别。此外，同一型号点火线圈由于零部件的散差，误差将会更大。当前的技术只能采用静态电感来设置参数，由于以上原因导致巨大的误差，因而不能实现精确控制和有效保护。
如图1是现有技术中点火线圈点火工作示意图。在一定的工作电压Ub下，通过控制控制信号脉宽来控制驱动级开关的导通时间，实现对点火线圈初级充电，初级电流逐渐增大，点火线圈存储能量，控制信号下降沿关断驱动级开关，在点火线圈次级产生高压，击穿火花塞电极间混合气，存储在点火线圈中的能量通过次级放电，实现点火。
图2中，虚线为采用LCR测试仪测量得到的静态电感作为计算参数，按电阻-电感串联的零状态响应计算得到的电流随时间变化的曲线；实线为实际测量所得电流随时间的变化曲线，此电流曲线真实反应了点火线圈初级绕组在充电期间的电流变化过程，其中3～4ms内电流走势的变化表明等效电感在此期间有明显的变化。两条电流曲线有明显的差异，由此可知若直接应用LCR仪测量所得的静态电感于工程设计计算，将会带来巨大的误差。
考虑到零部件的散差，需要能够在线测量动态等效电感，以实现精确控制和保护。
发明内容
本发明的目的在于提供一种点火线圈初级电感的测量方法及其测量系统，以解决静态测量点火线圈初级电感随电流变化而产生误差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种点火线圈初级电感的测量方法，包括，采用以下方法，
提供一点火线圈的测量电路，并控制所述测量电路闭合；采集点火线圈所在测量电路中的电量参数，并根据所述电量参数利用能量守恒定律计算出点火线圈的初级电感。
可选的，所述测量电路包括点火线圈初级绕组和驱动级开关，所述点火线圈初级绕组和驱动级开关串联。
可选的，利用如下公式计算点火线圈的初级电感，
式中,L为点火线圈的初级电感，I为点火线圈初级绕组中的电流，Win为电源提供给点火线圈初级绕组的能量，WR为点火线圈初级绕组中消耗的能量。
可选的，所述Win的值由点火线圈初级绕组两端电压与点火线圈初级绕组内电流的乘积对时间的积分获取，所述电WR的值由点火线圈初级绕组的电阻与点火线圈初级绕组内电流的平方的乘积对时间的积分获得。
可选的，所述采集点火线圈所在电路中的电量参数包括点火线圈初级绕组两端的电压参数以及点火线圈初级绕组中的电流参数。
可选的，所述电流参数通过差分模式获取或利用带电流感应的绝缘栅双极型晶体管检测获取。
可选的，所述采集点火线圈所在测量电路中的电量参数的采集速度大于或等于1M/s。
可选的，还包括，利用发动机管理系统监控所述测量电路的安全。
为了解决以上问题本申请还提供一种点火线圈初级电感测量系统，包括，
测量电路，用于提供点火线圈的检测环境；
控制模块，用于控制所述测量电路的闭合状态；
数据采集和运算模块，用于采集所述测量电路中的电量参数，并根据所述电量参数利用能量守恒定律计算出点火线圈的初级电感；
所述测量电路分别连接所述数据采集和运算模块与所述控制模块。
可选的，所述测量电路包括点火线圈初级绕组和驱动级开关，所述点火线圈初级绕组和驱动级开关串联。
可选的，利用如下公式计算点火线圈的初级电感，
式中,L为点火线圈的初级电感，I为点火线圈初级绕组中的电流，Win为电源提供给点火线圈初级绕组的能量，WR为点火线圈初级绕组中消耗的能量。
可选的，所述Win的值由点火线圈初级绕组两端电压与点火线圈初级绕组内电流的乘积对时间的积分获取，所述电WR的值由点火线圈初级绕组的电阻与点火线圈初级绕组内电流的平方的乘积对时间的积分获得。
可选的，所述电量参数包括点火线圈初级绕组两端的电压参数以及点火线圈初级绕组中的电流参数。
可选的，所述电流参数通过差分模式获取或利用带电流感应的绝缘栅双极型晶体管检测获取。
可选的，所述数据采集和运算模块的采集速度大于或等于1M/s。
可选的，还包括安全监控系统，用于保护所述测量电路的安全，所述安全监控系统连接所述测量电路。
可选的，所述数据采集和运算模块还用于测量发动机水温，所述数据采集和运算模块根据所述发动机水温运算出发动机在不同温度时点火线圈的初级电感。
在本发明提供的点火线圈初级电感的测量方法以及测量系统中，可以有效防止因电流的变化造成点火线圈初级电感测量的误差，比LCR测试仪测得的初级电感更为准确；进一步，可以获得安装到发动机上每个点火线圈在不同温度下的随电流变化而变化的动态等效电感，以此为基础，可以精确计算点火控制所需要的相关参数，如不同温度下，满足一定能量的充电时间；也可以基于此动态等效电感来精确计算系统保护的电流、能量损耗。
附图说明
图1是现有技术中点火线圈的工作原理示意图；
图2是现有技术中计算和实测点火线圈初级电流随时间的变化曲线；
图3是本申请实施例一的点火线圈初级动态等效电感在线测量电路原理示意图；
图4是本申请实施例一的点火线圈动态初级电感随点火线圈电流的变化曲线；
图5是本申请实施例二的火线圈动态等效初级电感在线测量电路原理示意图；
图6是本申请实施例三的火线圈动态等效初级电感在线测量电路原理示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想在于利用能量守恒定律，实时采集点火线圈电路中的相关参数，并推导出关于点火线圈等效电感的关系式，由此得出点火线圈的实时等效电感。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的点火线圈初级电感的测量方法及其测量系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
点火线圈初级绕组动态等效电感在线测量基本原理：能量守恒。结合点火线圈的工作过程，在点火线圈充电过程中，由电源向点火线圈充电，能量存储在点火线圈中，直到断开驱动级开关，存储在点火线圈中的能量再通过次级线圈向火花塞放电。在充电过程中，由电源提供给点火线圈初级绕组的能量Win等于点火线圈中存储的能量WL和电路中消耗的能量WR之和，即
Win＝WL+WR……(1)
等效电感L充电过程中存储的能量WL通过式(2)计算：
式中，I为点火线圈初级绕组中的电流；L为点火线圈的初级电感。
结合式(1)、(2)可以得到等效电感L的计算方法：
式中，Win为电源提供给点火线圈初级绕组的能量，WR为点火线圈初级绕组电路中消耗的能量。
所述Win的值由点火线圈初级绕组两端电压与点火线圈初级绕组内电流的乘积对时间的积分获取，所述电WR的值由点火线圈初级绕组的电阻与点火线圈初级绕组内电流的平方的乘积对时间的积分获得，即
Win＝∫(UL·I)dt……(4)
WR＝∫(I2·R)dt……(5)
式中，UL为点火线圈初级绕组两端电压，I为点火线圈初级绕组中的电流；R为点火线圈初级绕组的阻值。需要说明的是上述积分有上下限，对应驱动级开关打开到关闭时间，为了公式的简洁，上式中省略。
基于以上原理，设计在线测量电路如图3所示。动态等效初级电感在线测量电路主要由数据采集和运算模块、控制模块组成。数据采集的内容主要包括：点火线圈初级绕组两端电压UL、点火线圈初级绕组初级电流I以及发动机水温；控制模块主要用于控制驱动级开关的闭合状态。
其中点火线圈初级绕组两端电压通过差分模式采样即：UL＝Ub-Uc，以消除共模干扰，其中Ub和Uc分别为点火线圈初级绕组两端的电压采样。
点火线圈初级绕组中的电流I通过电流检测电阻测量对于串联回路，I＝Iprim，Iprim是串联回路中的初级电流。
数据采集模块以不低于1M/s的采集速度采集相关电压、电流等参数，以获得足够的数据，并基于以上采集的电量参数，根据式(1)～(5)计算得到动态等效电感L与电流I的关系：
L＝f(I)……(6)
在EMS(发动机管理系统)的应用中，可以直接使用式(6)获得的随电流变化而变化的动态等效初级电感来计算点火控制的相关数据，而不是用LCR测量仪得到的静态电感。
具体的，点火线圈初级电感在EMS中的在线测量过程如下：
EMS在系统上电后，完成初始化；控制模块控制输出驱动信号，使驱动级开关打开，电源对点火线圈充电，此时发动机的数据采集模块以不低于1M/s的采集速度采集点火线圈所在电路中的电量参数，包括点火线圈初级绕组两端的电压参数以及其电路中的电流参数。数据运算模块利用这些电量参数根据能量守恒定律计算出点火线圈的初级电感。
利用该点火线圈初级电感测量方法，本实施例还提供了一点火线圈初级电感测量系统，测量电路，用于提供点火线圈的检测环境；控制模块，用于控制所述测量电路的闭合状态；数据采集和运算模块，用于采集所述测量电路中的电量参数，并根据所述电量参数利用能量守恒定律计算出点火线圈的初级电感；所述测量电路分别连接所述数据采集和运算模块与所述控制模块。
所述点火线圈初级电感测量系统主要是建立在所述点火线圈初级电感测量方法的基础上，除了点火线圈初级电感测量方法中提到的技术方案外还增加了对发动机水温的测量部分，并根据发动机水温测量点火线圈在不同温度下的初级电感，并输入到发动机管理系统中。
该点火线圈初级电感测量系统应用在EMS中的应用过程如下：
EMS在系统上电后，并完成初始化；EMS判断驾驶需求，若短时间内无驾驶需求，控制模块协调禁止喷油、吸气等操作；控制模块控制输出驱动信号，使驱动级开关打开，电源对点火线圈充电，同时启动高速采集模块以不低于1M/s的采样率采样电压Ub、Uc、电流Iprim；由此计算出点火线圈初级电感的值，测量过程直到采集得到的电流参数基本无变化，即ΔIprim<Ic，(ΔIprim为单位时间内电流Iprim的变化量；Ic为点火线圈的最小电流变化值，电流Iprim满足此条件可判断电流基本无变化)，或电流达到EMS安全工作的最大电流Imax；通常常温下，可以满足ΔIprim<Ic，此时可以通过UL/I来验证初级绕组电阻R；点火线圈初级绕组电阻R受电流的影响不大，可用万用表离线测量获取。
所述点火线圈初级电感的测量系统还包括安全监控系统，用于保护所述测量电路的安全，以保证在线测量不损坏EMS零部件。
本实施例中点火线圈初级电感的测量系统，还包括测量发动机水温，根据所述发动机水温运算出发动机在不同温度时点火线圈的初级电感，不同温度主要包括低温环境(发动机刚启动)和高温环境(发动机热机工况)。
低温环境下，根据EMS运行工况，进行上述操作，得到低温条件下各缸点火线圈初级电感，在EMS内存中储存记录；
发动机热机工况下，根据EMS运行工况如后运行中，进行上述操作，得到高温环境下各缸点火线圈初级等效电感，在EMS内存中储存记录；
参阅图4，发明人通过该测量方法得到关于点火线圈在EMS中提取的初级电感随点火线圈电流变化的曲线，此曲线反应了更接近工程应用的动态的初级电感，以此为基础进行精确的充电时间计算，由图4可见点火线圈的初级电感受电流变化影响较大，也再次验证了现有技术中存在的不足。
实施例二
参阅图5，其示出的是实施例二的火线圈动态等效初级电感在线测量电路原理示意图；在实施例一的基础上简化了信息采集过程，减少了采集和运算数据量，在工程应用上更容易实现。
具体的，减少对电压Uc的采集，以近似的电压差ΔV代替，则电感电压计算为近似值：UL＝Ub-ΔV。ΔV通过统计测量和计算折中选择中间值，兼顾充电时间、能量计算和零件保护。
实施例三
参阅图6，其示出的是实施例三的火线圈动态等效初级电感在线测量电路原理示意图；由图可以看出驱动级开关的符号有所不同，具体与实施例不同的是点火线圈初级电流检测与可以选择带电流感应管脚的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)来实现。通过IGBT的电流感应管脚，同样用一电阻值相对比较大的电流检测电阻(ECU中常用的电阻，这里的作用是电流检测)来实现电流的检测，对主电流通路无影响，同时降低热消耗，同样可以实现点火线圈初级电流的采集。
综上，本申请的点火线圈初级电感的测量方法及其测量系统，具有以下有益效果：在本发明提供的点火线圈初级电感的测量方法以及测量系统中，可以获得点火线圈初级绕组的动态等效电感，有效防止因电流的变化造成点火线圈初级电感测量的误差，比LCR仪测量的测得的初级电感在实际应用中更为准确可靠；进一步，可以获得安装到发动机上每个点火线圈在不同温度下的随电流变化而变化的动态等效电感，以此为基础，可以精确计算点火控制所需要的相关参数，如不同温度下，满足一定能量的充电时间；也可以基于此动态等效电感来精确计算系统保护的电流、能量损耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (17)

1.一种点火线圈初级电感的测量方法，其特征在于，包括，采用以下方法，
提供一点火线圈的测量电路，并控制所述测量电路闭合；采集点火线圈所在测量电路中的电量参数，并根据所述电量参数利用能量守恒定律计算出点火线圈的初级电感。
2.如权利要求1所述的点火线圈初级电感的测量方法，其特征在于，所述测量电路包括点火线圈初级绕组和驱动级开关，所述点火线圈初级绕组和驱动级开关串联。
3.如权利要求1所述的点火线圈初级电感的测量方法，其特征在于，利用如下公式计算点火线圈的初级电感，
<mrow> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>W</mi> <mi>R</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msup> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow>
式中,L为点火线圈的初级电感，I为点火线圈初级绕组中的电流，Win为电源提供给点火线圈初级绕组的能量，WR为点火线圈初级绕组中消耗的能量。
4.如权利要求3所述的点火线圈初级电感的测量方法，其特征在于，所述Win的值由点火线圈初级绕组两端电压与点火线圈初级绕组内电流的乘积对时间的积分获取，所述电WR的值由点火线圈初级绕组的电阻与点火线圈初级绕组内电流的平方的乘积对时间的积分获得。
5.如权利要求1所述的点火线圈初级电感的测量方法，其特征在于，所述采集点火线圈所在电路中的电量参数包括点火线圈初级绕组两端的电压参数以及点火线圈初级绕组中的电流参数。
6.如权利要求5所述的点火线圈初级电感的测量方法，其特征在于，所述电流参数通过差分模式获取或利用带电流感应的绝缘栅双极型晶体管检测获取。
7.如权利要求1所述的点火线圈初级电感的测量方法，其特征在于，所述采集点火线圈所在测量电路中的电量参数的采集速度大于或等于1M/s。
8.如权利要求1所述的点火线圈初级电感的测量方法，其特征在于，还包括，利用发动机管理系统监控所述测量电路的安全。
9.一种点火线圈初级电感测量系统，其特征在于，包括，
测量电路，用于提供点火线圈的检测环境；
控制模块，用于控制所述测量电路的闭合状态；
数据采集和运算模块，用于采集所述测量电路中的电量参数，并根据所述电量参数利用能量守恒定律计算出点火线圈的初级电感；
所述测量电路分别连接所述数据采集和运算模块与所述控制模块。
10.如权利要求9所述的点火线圈初级电感测量系统，其特征在于，所述测量电路包括点火线圈初级绕组和驱动级开关，所述点火线圈初级绕组和驱动级开关串联。
11.如权利要求9所述的点火线圈初级电感测量系统，其特征在于，利用如下公式计算点火线圈的初级电感，
<mrow> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>W</mi> <mi>R</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msup> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow>
式中,L为点火线圈的初级电感，I为点火线圈初级绕组中的电流，Win为电源提供给点火线圈初级绕组的能量，WR为点火线圈初级绕组中消耗的能量。
12.如权利要求11所述的点火线圈初级电感的测量系统，其特征在于，所述Win的值由点火线圈初级绕组两端电压与点火线圈初级绕组内电流的乘积对时间的积分获取，所述电WR的值由点火线圈初级绕组的电阻与点火线圈初级绕组内电流的平方的乘积对时间的积分获得。
13.如权利要求9所述的点火线圈初级电感测量系统，其特征在于，所述电量参数包括点火线圈初级绕组两端的电压参数以及点火线圈初级绕组中的电流参数。
14.如权利要求13所述的点火线圈初级电感的测量系统，其特征在于，所述电流参数通过差分模式获取或利用带电流感应的绝缘栅双极型晶体管检测获取。
15.如权利要求9所述的点火线圈初级电感测量系统，其特征在于，所述数据采集和运算模块的采集速度大于或等于1M/s。
16.如权利要求9所述的点火线圈初级电感的测量系统，其特征在于，还包括安全监控系统，用于保护所述测量电路的安全，所述安全监控系统连接所述测量电路。
17.如权利要求9所述的点火线圈初级电感的测量系统，其特征在于，所述数据采集和运算模块还用于测量发动机水温，所述数据采集和运算模块根据所述发动机水温运算出发动机在不同温度时点火线圈的初级电感。
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