CN111412100B - 采集igbt电流的电路及点火线圈寿命预估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种点火线圈寿命预估方法，基于一采集IGBT电流的电路采集IGBT电流值，首先预设一驾驶循环阈值，所述驾驶循环是指从车辆启动到车辆熄火；然后在每一驾驶循环中执行至少如下步骤：S1、采集每次点火时的IGBT电流值；S2、判断本次驾驶循环次数是否超过所述驾驶循环阈值，若未超过则执行S1，若超过则执行S3；S3、根据所述IGBT电流值变化趋势、最大IGBT电流值变化趋势及过流次数变化趋势判断所述点火线圈工作是否正常，其中所述过流次数是指所述IGBT电流值超过点火线圈的额定电流值的次数。本发明不依赖点火线圈的特性指标，只与IGBT的特性指标相关，并且该方法的匹配简单，普适性强。

Description

采集IGBT电流的电路及点火线圈寿命预估方法
技术领域
本发明涉及汽车的动力系统领域，尤其涉及一种采集IGBT电流的电路及点火线圈寿命预估方法。
背景技术
火花点火是目前燃油汽车最主要的点火形式。所谓内驱点火是指点火IGBT集成在ECU(Electric Control Unit电子控制单元)内部，IGBT的输出端通过线束与点火线圈连接，从而实现对点火线圈的驱动。图1为一个典型的内驱点火IGBT(Insulated GateBipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)工作的示意图。ECU内部产生一IGBT驱动信号，所述IGBT驱动信号通过控制IGBT的栅极G实现对IGBT的导通控制。当所述IGBT导通时，所述IGBT的集电极C与发射极E之间流过电流Ic。点火线圈L和火花塞H都在ECU外部，点火线圈L的初级线圈一端与集电极C连接，另一端与电源Ub连接。点火线圈L的次级线圈的一端与火花塞H连接，另一端接地。为了防止电流倒灌，点火线圈L与火花塞之间还可以串联一个二极管D。
由于发动机线束中有多种导线和连接器的应用，这些导线和连接器可能发生如图2所示的对电池短路的故障。在这一情况下，电源Ub直接施加于所述IGBT的集电极C端。当该IGBT处于导通状态时，电流Ic为短路电流，器件内部(即IGBT)温度快速增加，在很短的时间内形成的局部热点温度超过极限值后，IGBT将被损坏。
另一种情况下，当负载发生局部短路或点火充电时间过长时，ECU内部的IGBT电流Ic将远远超过额定电流。如图3所示，电源Ub和集电极C之间存在等效电阻r和等效电感l，从而增加了IGBT的负载，电流Ic超过额定值，IGBT内部也可能出现局部热点，当热量随时间增长或电流增大而逐步增长是，该IGBT将被损坏。
更严重的，由于IGBT集成于ECU内部，当IGBT损坏时，外在表现为ECU损坏，这可能导致更换成本高昂的ECU，从而导致客户投诉。
发明内容
为了解决上述问题，及时发现IGBT/点火线圈损坏的临界点，提出警报，及早更换即将失效的独立元器件，从而避免整体更换ECU，本发明首先提出了一种采集IGBT电流的电路，包括：中央处理单元、IGBT、点火线圈、火花塞和分流电阻。
所述中央处理单元与所述IGBT的栅极连接，用于驱动所述IGBT工作；
所述IGBT的集电极与所述点火线圈的初级线圈的一端连接，所述IGBT的发射极与所述分流电阻的一端连接；
所述分流电阻的一端还与所述中央处理单元的电压采集正端连接；另一端与所述中央处理单元的电压采集负端连接并同时接地；
所述点火线圈的初级线圈的另一端与电源连接，所述点火线圈的次级线圈的一端与所述火花塞的一端连接，所述点火线圈的次级线圈的另一端接地；
所述火花塞的另一端接地。
上述的采集IGBT电流的电路，其中，所述火花塞与所述点火线圈的次级线圈之间还串联一保护二极管，以防止电流倒灌入所述点火线圈的次级线圈。
上述的采集IGBT电流的电路，在多缸发动机汽车中，包括多个所述IGBT、多个所述点火线圈、多个所述火花塞和一个所述分流电阻；所述中央处理单元与多个所述IGBT的栅极分别连接，单独控制每一个IGBT；多个所述IGBT的集电极分别与多个所述点火线圈的初级线圈的一端连接；多个所述点火线圈的次级线圈的一端分别与多个所述火花塞的一端连接；多个所述IGBT的发射极分别与所述分流电阻的一端连接。
上述的采集IGBT电流的电路，在多缸发动机汽车中，包括多个所述IGBT、多个所述点火线圈、多个所述火花塞和多个所述分流电阻；所述中央处理单元与多个所述IGBT的栅极分别连接，单独控制每一个IGBT；多个所述IGBT的集电极分别与多个所述点火线圈的初级线圈的一端连接；多个所述点火线圈的次级线圈的一端分别与多个所述火花塞的一端连接；多个所述IGBT的发射极分别与多个所述分流电阻的一端连接。
本发明还提供了一种点火线圈寿命预估方法，基于上述的采集IGBT电流的电路对IGBT进行采样，并通过对IGBT电流的分析判定是否需要更换点火线圈。
首先预设一驾驶循环阈值，然后在每一驾驶循环中执行至少如下步骤：
S1、采集每次点火时的IGBT电流值；
S2、判断本次驾驶循环次数是否超过所述驾驶循环阈值，若未超过则执行S1，若超过则执行S3；
S3、根据IGBT电流变化趋势、所述最大IGBT电流值变化趋势及过流次数变化趋势判断所述点火线圈工作是否正常。
进一步地，步骤S1中具体包括：
S11、记录所述IGBT电流值及相应时间t；
S12、记录当前驾驶循环中出现的最大IGBT电流值及相应时间tmax；
S13、累计当前驾驶循环中出现的所述过流次数；
S14、累计驾驶循环次数。
进一步地，若所述IGBT电流值变化趋势、所述最大IGBT电流值变化趋势及所述过流次数的变化趋势均呈增大趋势，则判定与所述IGBT串联的所述点火线圈存在短路或过载风险；若所述IGBT电流值变化趋势、所述最大IGBT电流值变化趋势均呈减小趋势，则判定与所述IGBT串联的所述点火线圈存在开路或短地风险；若所述IGBT电流变化趋势、所述最大IGBT电流值变化趋势及所述过流次数的变化趋势保持不变，则判定与所述IGBT串联的所述点火线圈工作正常。
进一步地，所述IGBT电流值的变化趋势保持不变的区间为：电流值-时间曲线的斜率区间为2kA/s～4kA/s。
进一步地，判定所述最大IGBT电流值的变化趋势保持不变的区间为：所述IGBT的额定电流±3A。
进一步地，所述过流次数的变化趋势根据过流次数的拟合直线的斜率进行判断。
进一步地，在多缸发动机汽车中，包括多个所述IGBT、多个所述点火线圈、多个所述火花塞和一个分流电阻，所述中央处理单元与多个所述IGBT的栅极分别连接，单独控制每一个IGBT，多个所述IGBT的集电极分别与多个所述点火线圈的初级线圈的一端连接，多个所述点火线圈的次级线圈的一端分别与多个所述火花塞的一端连接，多个所述IGBT的发射极分别与所述分流电阻的一端连接，所述IGBT电流值为流经所述分流电阻的电流，所述中央处理单元按点火规律分别记录与多个所述点火线圈相应的IGBT电流值估。
进一步地，在多缸发动机汽车中，包括多个所述IGBT、多个所述点火线圈、多个所述火花塞和多个分流电阻，所述中央处理单元与多个所述IGBT的栅极分别连接，单独控制每一个IGBT，多个所述IGBT的集电极分别与多个所述点火线圈的初级线圈的一端连接，多个所述点火线圈的次级线圈的一端分别与多个所述火花塞的一端连接，多个所述IGBT的发射极分别与多个所述分流电阻的一端连接，所述中央处理单元分别记录流经多个所述分流电阻的IGBT电流值。
与现有技术相比，本发明的技术方案从统计学的角度，通过对驱动点火的零部件IGBT进行电流监控和分析，达到对点火线圈的寿命进行预估的目的，从而在元器件失效前主动发现问题，得出是否需要更换点火线圈的结论。由于及时更换了有潜在风险的独立元器件，减少了出现ECU故障的几率，保护了更为关键的部件(指ECU)，有效减少用户因点火线圈失效而对ECU的投诉，降低了售后服务的成本。
由于寿命预估方法可以以机器代码的形式运行于ECU中，不容易被反向破解，在商业竞争中还能加强竞争优势，不易被模仿。
附图说明
图1是现有技术中内驱点火IGBT的工作示意图；
图2是现有技术中IGBT对电源短路的示意图；
图3是现有技术中IGBT超载的示意图；
图4是本发明一实施例的示意图；
图5是本发明中电流Ic与时间t的关系示意图；
图6是本发明一实施例的流程图；
图7是本发明图6中部分流程的细化流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。
根据背景技术的介绍可知，在汽车点火系统中，IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor绝缘栅双极型晶体管)的损伤容易导致ECU(Electric Control Unit电子控制单元)的整体更换，其维护成本较高，对公司声誉也有不良影响。
发明人通过分析认为，实际上由于IGBT和点火线圈是串联的，流经两者的电流相同，而点火线圈是比IGBT更易损的一个部件。由于点火线圈的失效往往造成其驱动元件IGBT的损伤，多次累积后将造成点火驱动单元的失效。现阶段点火驱动单元往往集成在ECU中，从而导致了ECU损坏的外在感受。因此，IGBT的损坏其实是与点火线圈损坏相关联的。那么，采集流经IGBT的电流相当于采集了流经点火线圈的电流。根据对IGBT电流的分析来预判更易损的点火线圈的寿命可以起到保护IGBT的作用。更进一步，能起到保护ECU的作用。
本发明从统计学的角度对点火线圈的失效进行了分析，得出一些判断准则，用于对点火线圈的寿命进行预估。当点火线圈被判定为即将失效时，提出警示，要求人工干预，更换点火线圈。
因此，预估点火线圈的寿命，预判点火线圈失效，及时更换点火线圈是减少ECU报修的一个有效方法。
由于IGBT对点火线圈的驱动是电流驱动，本申请通过对IGBT的输出电流进行监控，实现对点火线圈寿命的预估。
本申请首先提供了一种采集IGBT电流的电路，包括：中央处理单元、IGBT、点火线圈、火花塞和分流电阻。
所述中央处理单元与所述IGBT的栅极连接，用于驱动所述IGBT工作。
所述IGBT的集电极与所述点火线圈的初级线圈的一端连接，所述IGBT的发射极与所述分流电阻的一端连接。
所述分流电阻的一端还与所述中央处理单元的电压采集正端连接，另一端与所述中央处理单元的电压采集负端连接并同时接地。
所述点火线圈的初级线圈的另一端与电源连接，所述点火线圈的次级线圈的一端与所述火花塞的一端连接，所述点火线圈的次级线圈的另一端接地。
所述火花塞的另一端接地。
进一步地，所述火花塞与所述点火线圈的次级线圈之间还串联一保护二极管，以防止电流倒灌入所述点火线圈的次级线圈。
如图4所示，本发明在图1所示的原理图的基础上发展而得到的一个四缸汽车的点火系统示意图。
IGBT的驱动一般由ECU中的MCU((Micro Controller Unit，微控制器)输出。本实施例中的MCU包括4路各自独立的控制信号：输出1、输出2、输出3和输出4。上述的4路控制信号经一预驱动模块得到4路独立的控制方波，用于分别控制4个IGBT的栅极G。具体的控制关系为输出1控制第一栅极G1，输出2控制第二栅极G2，输出3控制第三栅极G3，输出4控制第四栅极G4。在IGBT的输出端，第一集电极C1与第一点火线圈L1的初级线圈的一端连接，第四集电极C4与第四点火线圈L4的初级线圈的一端连接(第二集电极C2、第三集电极C3的连接示意省略)。为了简化检测及控制系统，4个IGBT的发射极E都直接与采样电阻R的一端连接。采样电阻R的一端还与MCU的A/D转换器(模拟-数字转换)接口FADCP端连接。采样电阻R的另一端与MCU的A/D转换器接口FADCN端连接，同时，采样电阻R的另一端还接地。
采样电阻R上的电压差被MCU中的A/D转换器读取后，经MCU内部程序计算可得出流经采样电阻R的电流Ic的具体值。通过对电流Ic的分析，可推测出点火线圈是否已濒临失效。具体的，需综合考虑电流Ic的最大值，到达最大值时的时间tmax，电流Ic随时间变化的斜率以及电流Ic出现最大值的次数等情况。
4个点火线圈的连接方法请参看图4，由于4路点火线圈的连接方式是相同的，图中省略了2个点火线圈(及相应火花塞)的连接示意。如前所述，第一点火线圈L1的初级线圈的一端与第一集电极C1连接，第一点火线圈L1的初级线圈的另一端与电源Ub连接，第一点火线圈L1的次级线圈的一端与第一二极管D1的一端连接，第一点火线圈L1的次级线圈的另一端接地。第一二极管D1用于保护第一点火线圈L1，防止电流倒灌。第一二极管D1的另一端与第一火花塞H1的一端连接，第一火花塞H1的另一端接地。第四点火线圈L4、第四二极管D4和第四火花塞H4的连接关系与第一点火线圈L1、第一二极管D1和第一火花塞H1相同，此处不赘述。
在另一个实施例中，可使用4个独立的分流电阻分别独立的采集4个流经IGBT的电流。4个IGBT的栅极G分别与4个所述的分流电阻的一端连接，4个所述分流电阻的电连接关系可参看图4。本实施例与图4所示电路的区别在于所述MCU中的控制逻辑有所不同，本实施例的控制逻辑较为简单。由于对流经4个IGBT的电流分别采样，MCU可以不关心点火顺序而直接判定点火线圈的寿命。图4所示电路中，MCU对同一个分流电阻采样，电路结构较为简单。从控制逻辑的角度来说，MCU需结合点火顺序，分时段鉴别当前所采样的电流与4个点火线圈的对应关系，分别记录电流值，以便后续进行判断处理。
图5展示了电流Ic、电流Ic的斜率和时间t的关系。图中，实线为电流Ic随时间增长的曲线，虚线为电流Ic的导数曲线，反映了电流Ic的变化率。由图可知，在tmax时刻电流Ic到达最大值Imax，之后基本保持这一数值，直到充电结束的时间t。
根据图5所示的曲线关系，本发明还提出了一种基于前述的采集IGBT电流的电路的点火线圈寿命预估方法。
首先，根据前期统计分析的数据，预设一驾驶循环(行业对定义从车辆启动到车辆熄火为一个驾驶循环)阈值，然后在每一驾驶循环中执行至少如下步骤，如图6所示：
S1、采集每次点火时的IGBT电流值；
S2、判断本次驾驶循环次数是否超过所述驾驶循环阈值，若未超过则执行S1，若超过则执行S3；
S3、根据所述IGBT电流值变化趋势、最大IGBT电流值变化趋势及过流次数变化趋势判断所述点火线圈工作是否正常，即，是否即将失效。
若对点火线圈的判断是即将失效，则提出警报，要求维修人员干预。
一般，在实践中将所述驾驶循环阈值设为100次。
所述过流次数指所述IGBT电流值超过点火线圈的额定电流值的次数。
进一步地，步骤S1中具体包括：
S11、记录所述IGBT电流值及相应时间t；
S12、记录当前驾驶循环中出现的最大IGBT电流值及相应时间tmax；
S13、累计当前驾驶循环中出现的所述过流次数；
S14、累计驾驶循环次数。
在步骤S11中，得到电流-时间关系图后，还可根据电流-时间的关系计算出电流相对时间的变化率，为后续步骤判断提供数据支撑。
进一步地，如图7所示，步骤S3中，若所述IGBT电流值变化趋势、所述最大IGBT电流值变化趋势及所述过流次数的变化趋势均呈增大趋势，则判定与所述IGBT串联的所述点火线圈存在短路或过载风险；若所述IGBT电流值变化趋势、所述最大IGBT电流值变化趋势均呈减小趋势，则判定与所述IGBT串联的所述点火线圈存在开路或短地风险；若所述IGBT电流变化趋势、所述最大IGBT电流值变化趋势及所述过流次数的变化趋势均保持不变，则判定与所述IGBT串联的所述点火线圈工作正常。
如IGBT存在短路、过载、开路或短地风险，则提出警报，工作正常则继续监控。
具体地，所述IGBT电流值的变化趋势保持不变的区间为：电流值-时间曲线的斜率区间为2kA/s～4kA/s；判定所述最大IGBT电流值的变化趋势保持不变的区间为：所述IGBT的额定电流±3A。
对于所述过流次数的变化趋势，可以根据统计学的原理，以一个驾驶循环为采样空间，对本驾驶循环中的过流次数进行线性拟合，从而得到一拟合直线。当该拟合直线的斜率大于0时，判断所述过流次数的变化趋势为变大，当该拟合直线的斜率小于0时，判断所述过流次数的变化趋势为变小，当该拟合直线的斜率等于0时，判断所述过流次数的变化趋势为不变。
本发明在IGBT的发射极串联一个采样电阻，通过对流经采样电阻的电流的分析获取点火电路中产生累积损伤的情况，并根据电流变化趋势、最大电流变化趋势和最大电流出现次数的变化来判定IGBT是否有短路、过载、开路或短地的风险。若有这些风险，则及时更换点火线圈。本发明能在点火线圈发生故障前提示用户及早更换点火线圈，可以有效减少IGBT的损坏，进而减少ECU的维修，可以减少维修成本和被投诉风险。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种点火线圈寿命预估方法，其特征在于，基于一采集IGBT电流的电路采集IGBT电流值，首先预设一驾驶循环阈值，所述驾驶循环是指从车辆启动到车辆熄火；然后在每一驾驶循环中执行至少如下步骤：
S1、采集每次点火时的IGBT电流值；
S2、判断本次驾驶循环次数是否超过所述驾驶循环阈值，若未超过则执行S1，若超过则执行S3；
S3、根据所述IGBT电流值变化趋势、最大IGBT电流值变化趋势及过流次数变化趋势判断所述点火线圈工作是否正常，其中所述过流次数是指所述IGBT电流值超过点火线圈的额定电流值的次数。
2.如权利要求1所述的点火线圈寿命预估方法，其特征在于，步骤S1中具体包括：
S11、记录所述IGBT电流值及相应时间t；
S12、记录当前驾驶循环中出现的最大IGBT电流值及相应时间tmax；
S13、累计当前驾驶循环中出现的所述过流次数；
S14、累计驾驶循环次数。
3.如权利要求1所述的点火线圈寿命预估方法，其特征在于，步骤S3中，若所述IGBT电流值变化趋势、所述最大IGBT电流值变化趋势及所述过流次数的变化趋势均呈增大趋势，则判定与所述IGBT串联的所述点火线圈存在短路或过载风险；若所述IGBT电流值变化趋势、所述最大IGBT电流值变化趋势均呈减小趋势，则判定与所述IGBT串联的所述点火线圈存在开路或短地风险；若所述IGBT电流变化趋势、所述最大IGBT电流值变化趋势及所述过流次数的变化趋势均保持不变，则判定与所述IGBT串联的所述点火线圈工作正常。
4.如权利要求1-3任一项所述的点火线圈寿命预估方法，其特征在于，所述IGBT电流值的变化趋势保持不变的区间为：电流值-时间曲线的斜率区间为2kA/s～4kA/s。
5.如权利要求1-3任一项所述的点火线圈寿命预估方法，其特征在于，判定所述最大IGBT电流值的变化趋势保持不变的区间为：所述IGBT的额定电流±3A。
6.如权利要求1-3任一项所述的点火线圈寿命预估方法，其特征在于，所述过流次数的变化趋势根据过流次数的拟合直线的斜率进行判断。
7.如权利要求1-3任一项所述的点火线圈寿命预估方法，其特征在于，所述采集IGBT电流的电路包括中央处理单元；在多缸发动机汽车中，包括多个IGBT、多个点火线圈、多个火花塞和一个分流电阻，所述中央处理单元与多个所述IGBT的栅极分别连接，单独控制每一个IGBT，多个所述IGBT的集电极分别与多个所述点火线圈的初级线圈的一端连接，多个所述点火线圈的次级线圈的一端分别与多个所述火花塞的一端连接，多个所述IGBT的发射极分别与所述分流电阻的一端连接，所述IGBT电流值为流经所述分流电阻的电流，所述中央处理单元按点火规律分别记录与多个所述点火线圈相应的IGBT电流值。
8.如权利要求1-3任一项所述的点火线圈寿命预估方法，其特征在于，所述采集IGBT电流的电路包括中央处理单元；在多缸发动机汽车中，包括多个IGBT、多个点火线圈、多个火花塞和多个分流电阻，所述中央处理单元与多个所述IGBT的栅极分别连接，单独控制每一个IGBT，多个所述IGBT的集电极分别与多个所述点火线圈的初级线圈的一端连接，多个所述点火线圈的次级线圈的一端分别与多个所述火花塞的一端连接，多个所述IGBT的发射极分别与多个所述分流电阻的一端连接，所述中央处理单元分别记录流经多个所述分流电阻的IGBT电流值。
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