-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Aufladen
und Entladen wenigstens eines kapazitiven Stellglieds, insbesondere
eines Piezoelements in einem Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine.
-
Insbesondere
die in letzter Zeit strenger gewordenen Abgasnormen für Motoren
haben in der Kraftfahrzeugindustrie die Entwicklung von Kraftstoffinjektoren
mit schnell und verzögerungsfrei
ansprechenden Stellgliedern bzw. Aktoren ausgelöst. Bei der praktischen Realisierung
derartiger Stellglieder haben sich insbesondere piezoelektrische
Elemente als vorteilhaft erwiesen. Derartige Piezoelemente sind üblicherweise
als ein Stapel von Piezokeramikscheiben zusammengesetzt, die über eine elektrische
Parallelschaltung betrieben werden, um die für einen ausreichenden Hub notwendigen
elektrischen Feldstärken
erreichen zu können.
-
Die
Verwendung von piezoelektrischer Keramik zur Betätigung von Kraftstoffeinspritzventilen
einer Brennkraftmaschine stellt erhebliche Anforderungen an die
Elektronik zum Aufladen und Entladen der Piezokeramik. Es müssen dabei
vergleichsweise große
Spannungen (typisch 100V oder mehr) und kurzzeitig vergleichsweise
große
Ströme
zur Ladung und Entladung (typisch mehr als 10A) bereitgestellt werden.
Zur Optimierung der Motoreigenschaften (z.B. Abgaswerte, Leistung,
Verbrauch etc.) sollten diese Lade- und Entladevorgänge in Bruchteilen
von Millisekunden mit gleichzeitig weitgehender Kontrolle über Strom
und Spannung erfolgen. Die Eigenheit der Piezokeramik als nahezu
rein kapazitive Last mit nur vergleichsweise geringer umgesetzter
Wirkleistung, aber andererseits hoher Blindleistung erfordert mehr
oder weniger aufwändige
Schaltungskonzepte für
die Elektronik zur Ansteuerung der Piezoelemente.
-
Aus
der
DE 199 44 733
A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern wenigstens
eines kapazitiven Stellgliedes bekannt. Diese bekannte Anordnung
basiert auf einem bidirektional betriebenen Sperrwandler und ermöglicht eine
exakte Zumessung von Energieportionen beim Laden und Entladen des
Stellgliedes, so dass nahezu beliebige gemittelte Stromverläufe beim
Laden und Entladen realisiert werden können. Das zeitliche Verhalten
ist durch ein konstantes Raster, das den einzelnen Schaltvorgängen unterlagert
ist, ebenfalls unter voller Kontrolle. Durch das Sperrwandlerprinzip
werden andererseits jedoch nicht unerhebliche Belastungen an den
verwendeten Schalttransistoren hervorgerufen, die sich tendenziell
negativ auf den elektrischen Wirkungsgrad und damit verbunden die
thermische Belastung der Schaltungsanordnung auswirken können. Dies ist
bei der Auswahl der für
die Schaltungsanordnung verwendeten elektrischen Komponenten zu
berücksichtigen.
Wenngleich diese bekannte Lösung
funktional vollkommen zufriedenstellend ist, so besitzt diese noch
ein gewisses Verbesserungspotential hinsichtlich der Kosten, der
elektrischen Verlustleistung sowie der elektromagnetischen Verträglichkeit,
welches für
künftige
Anwendungen interessant sein könnte.
-
Aus
der
DE 198 14 594
A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen
eines piezoelektrischen Elements bekannt. Diese bekannte Ansteuerschaltung
basiert auf einer Halbbrücken-Endstufe,
die über
eine Induktivität
(Drossel) das Pie zoelement ansteuert, wobei diese Drossel in erster
Linie dazu dient, den beim Laden auftretenden Ladestrom und den
beim Entladen auftretenden Entladestrom zu begrenzen. Wenngleich
bei dieser Ansteuerung die Aufladung mit einem unterbrechungsfreien
Stromfluss und daher mit sehr gutem Wirkungsgrad erfolgen kann und
die Belastung der verwendeten Komponenten niedriger als bei der
vorher erwähnten
Sperrwandler-Anordnung ist, so benötigt diese Ansteuerung eine
Versorgungsspannung, die über
der maximalen Spannung am Piezoventil liegen muss. Ein daher in
der Praxis erforderlicher DC/DC-Wandler, beispielsweise zum Wandeln
einer üblichen
Kraftfahrzeugbordspannung von 12V oder 24V in eine geeignete Versorgungsspannung
(z.B. mehrere 100V), verschlechtert den elektrischen Gesamtwirkungsgrad
der Ansteuerelektronik erheblich.
-
Weiter
ist aus der
EP 1 143
133 A1 eine Vorrichtung zum Laden eines piezoelektrischen
Elements bekannt, die einen DC/DC-Konverter aufweist. Dieser DC/DC-Konverter
wird durch einen Transistorschalter gesteuert.
-
Aus
der
FR 2 827 440 A1 ist
weiter eine Ansteuerschaltung zum Auf- und Entladen mehrerer Piezoelemente
bekannt. Die Ansteuerschaltung weist im Eingangs- und Ausgangskreis
Induktivitäten
auf, die auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind.
-
Aus
der
DE 197 23 935
C1 ist eine Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines
kapazitiven Stellglieds bekannt, bei der einem Stellglied ein Auswahlschalter
zugeordnet ist, wobei der Auswahlschalter auch als Ladeschalter
fungiert.
-
Aus
der
DE 101 58 553
A1 ist eine Ansteuerschaltung für mehrere Piezoelemente bekannt,
wobei die Piezoelemente über
eine Spule auf- und entladen werden.
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung
zum Aufladen und Entladen wenigstens eines kapazitiven Stellglieds, insbesondere
eines Piezoelements in einem Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine,
bereitzustellen, welche die oben erwähnten Nachteile des Stands
der Technik vermeidet und insbesondere mit geringem schaltungstechnischen
Aufwand bei gleichzeitig hohem elektrischen Wirkungsgrad realisiert
werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Aufladen und Entladen wenigstens eines kapazitiven Stellglieds,
insbesondere eines Piezoelements in einem Kraftstoffinjektor einer
Brennkraftmaschine umfasst:
- – einen
ersten Kondensator, der von einer Energiequelle auf eine bezüglich eines
Bezugspotenzials vorgegebene Betriebsspannung aufgeladen wird,
- – einen
mit der Betriebsspannung des ersten Kondensators versorgten DC/DC-Wandler
zum Aufladen eines zweiten Kondensators bezüglich des Bezugspotenzials
auf eine Zwischenkreisspannung, die größer als die Betriebsspannung
ist, wobei der DC/DC-Wandler eine erste Wicklung und in Reihe dazu
geschaltet einen getaktet betriebenen Wandlerschalter zur Erzeugung
eines getakteten Stroms durch die erste Wicklung aufweist, und ferner
eine mit der ersten Wicklung gekoppelte zweite Wickung zur Erzeugung
der Zwischenkreisspannung aufweist, welche über eine Diode den zweiten
Kondensator auflädt,
- – einen
parallel zu dem zweiten Kondensator geschalteten Ladekreis zum Aufladen
des kapazitiven Stellglieds, in welchem das kapazitive Stellglied
in Reihenschaltung mit einer Drossel und einem Ladeschalter angeordnet
ist, und
- – einen
parallel zu dem kapazitiven Stellglied geschalteten Entladekreis
zum Entladen des kapazitiven Stellglieds, umfassend eine Reihenschaltung
aus einer induktiv mit der ersten Wicklung und/oder der zweiten
Wicklung gekoppelten dritten Wicklung und einem Entladeschalter.
-
Damit
wird ein zur Erzeugung der erforderlichen Ansteuerspannung (Zwischenkreisspannung) notwendiger
DC/DC-Wandler mit in die Konzeptionierung der Schaltungsanordnung
bzw. Endstufe einbezogen, indem die im Entladekreis vorgesehene
Wicklung als induktiv gekoppelt mit der ersten und/oder zweiten
Wicklung des DC/DC-Wandlers ausgebildet ist und somit bei einem
Entladevorgang über
diese induktive Kopplung effizient Ener gie in den Zwischenkreis
zurück überträgt. Die
Schaltungsanordnung kann daher mit geringem Bauteileaufwand, niedriger
Verlustleistung und hoher elektromagnetischer Verträglichkeit
realisiert werden.
-
Die
zweite Wicklung des DC/DC-Wandlers ist bevorzugt auf einem gemeinsamen
Ferritkern mit der ersten Wicklung des DC/DC-Wandlers angeordnet und somit induktiv
mit dieser gekoppelt. Alternativ oder zusätzlich besteht eine elektrische
Leitungsverbindung zwischen diesen beiden Wicklungen. Bei gleichem
Wicklungssinn der ersten und zweiten Wicklung und demgegenüber entgegengesetztem Wicklungssinn
der dritten Wicklung wirkt die dritte Wicklung als Sperrwandler,
der beim Entladen des kapazitiven Stellglieds über die zweite Wicklung in den
Zwischenkreis zurückladen
kann.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der DC/DC-Wandler gebildet aus:
- – einer
die auf Betriebsspannung bzw. Zwischenkreisspannung befindlichen
Anschlüsse
der beiden Kondensatoren miteinander verbindenden Reihenschaltung
aus der ersten Wicklung, der induktiv damit gekoppelten zweiten
Wicklung und der Diode, und
- – dem
getaktet betriebenen Wandlerschalter, der zwischen einem die erste
Wicklung und die zweite Wicklung miteinander verbindenden Schaltungsknoten
und dem Bezugspotenzial angeordnet ist.
-
Dies
stellt eine schaltungstechnisch einfache Realisierung der Rückladung
in den Zwischenkreis beim Entladen des kapazitiven Stellglieds dar.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen einer Mehrzahl
von kapazitiven Stellgliedern vorgesehen, wobei die Ladekreise einen
die Drossel enthaltenden gemeinsamen Ladekreisabschnitt und entsprechend
der Anzahl an kapazitiven Stellgliedern mehrfach parallel zueinander
ausgeführte
Ladekreisabschnitte aufweisen, die jeweils einen dem jeweiligen
kapazitiven Stellglied in Reihe geschalteten Auswahl/Ladeschalter
enthalten.
-
Die
Auswahl/Ladeschalter dienen hierbei sowohl zur Auswahl eines zu
ladenden kapazitiven Stellglieds aus der Mehrzahl von Stellgliedern
als auch zur Initiierung des Ladestroms zu dem ausgewählten Stellglied.
Zur exakten Zumessung von Energieportionen beim Ladevorgang werden
die Auswahl/Ladeschalter hierbei, gemessen an der Periode, mit welcher
die Stellglieder betrieben werden, mit vergleichsweise hoher Frequenz
getaktet betrieben, wie dies für
einen Ladeschalter an sich beispielsweise aus der eingangs erwähnten
DE 199 44 733 A1 bekannt
ist. Zweckmäßig ist
in jedem Fall die Anordnung einer Freilaufdiode jeweils zwischen
einem Stellglied und der gemeinsam verwendeten Drossel, um jeweils
einen Freilaufstromkreis zu bilden, über welchen nach einem Ausschalten
des betreffenden Auswahl/Ladeschalters der Ladestrom weiter fließen kann.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen einer Mehrzahl
von kapazitiven Stellgliedern vorgesehen, wobei die Entladekreise
einen die dritte Wicklung sowie den Entladeschalter enthaltenden
gemeinsamen Entladekreisabschnitt und entsprechend der Anzahl an
kapazitiven Stellgliedern mehrfach parallel zueinander ausgeführte Entladekreisabschnitte aufweisen,
die jeweils eine Entkopplungsdiode enthalten.
-
Diese
Entkopplungsdioden bilden hierbei bevorzugt die parallel zueinander
ausgeführten
Entladekreisabschnitte und sind in Reihenschaltung zwischen dem
gemeinsam genutzten Entladeschalter und dem betreffenden Stellglied
angeordnet.
-
Wenngleich
die Verwendung von Schaltern, die sowohl zur Auswahl eines von mehreren
Stellgliedern als auch zur Initiierung des Ladestroms für das ausgewählte Stellglied
dienen, schaltungstechnisch aufgrund der Einsparung separater Auswahlschalter vorteilhaft
ist, so ist dieses Merkmal keineswegs zwingend.
-
Beispielsweise
ist gemäß einer
weiteren Ausführungsform
die Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen einer Mehrzahl
von kapazitiven Stellgliedern vorgesehen, wobei die Ladekreise einen
die Drossel und einen Ladeschalter enthaltenden gemeinsamen Ladekreisabschnitt
und entsprechend der Anzahl an kapazitiven Stellgliedern mehrfach
parallel zueinander ausgeführte
Ladekreisabschnitte aufweisen, die jeweils einen dem jeweiligen kapazitiven
Stellglied in Reihe geschalteten Auswahlschalter enthalten, und
wobei die Entladekreise durch einen gemeinsamen Entladekreisabschnitt
gebildet sind, der die dritte Wicklung sowie den Entladeschalter
enthält.
-
In
diesem Fall können
beispielsweise vorteilhaft die Entkopplungsdioden in parallel zueinander ausgeführten Entladekreisabschnitten
entfallen bzw. ein einziger, für
alle Stellglieder gemeinsam genutzter Entladekreis vorgesehen sein.
Darüber
hinaus kann in diesem Fall eine einzige, für sämtliche Stellglieder gemeinsam
genutzte Lade-Freilaufdiode verwendet werden, um nach einem Ausschalten
des Ladeschalters weiterhin einen Freilauf-Ladestrom durch den parallel
zu dieser Freilaufdiode geschalteten Ladekreis fließen zu lassen.
-
Um
eine geregelte Aufladung und Entladung der Stellglieder zu realisieren,
wie dies insbesondere bei Verwendung der Stellglieder in einem Kraftstoffinjektor
einer Brennkraftmaschine von großem Vorteil ist, muss eine
den Ladungszustand der kapazitiven Stellglieder charakterisierende
physikalische Größe erfasst
werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen,
wenigstens einen Strommesswiderstand in Reihenschaltung mit dem
oder den Stellgliedern anzuordnen, über welchen der Ladestrom und/oder
der Entladestrom fließt
und an welchem der diesen Strom repräsentierende Spannungsabfall
gemessen werden kann. Weiter bevorzugt ist hierbei, dass ein einziger
solcher Strommesswiderstand verwendet wird, der zu diesem Zweck
sowohl einen Teil des Ladekreises als auch einen Teil des Entladekreises
bildet, im Falle einer Mehrzahl von Stellgliedern einen Teil sowohl
des gemeinsamen Ladekreisabschnitts als auch des gemeinsamen Entladekreisabschnitts
bildet.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
-
1 eine
Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Mehrzahl von Piezoelementen
gemäß einer
ersten Ausführungsform,
und
-
2 eine
Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Mehrzahl von Piezoelementen
gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
-
1 zeigt
eine insgesamt mit 10 bezeichnete Schaltungsanordnung zum
Aufladen und Entladen mehrerer kapazitiver Stellglieder in Form
von Piezoelementen einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs.
Der Übersichtlichkeit
halber sind von dieser Mehrzahl an Piezoelementen lediglich zwei
in der Figur dargestellt (und mit P1 und P2 bezeichnet) und nachfolgend
beschrieben. Tatsächlich
besitzt die Kraftstoffeinspritzanlage beispielsweise vier Injektoren
und dementsprechend vier Piezoelemente. Die Piezoelementanordnung
P1, P2... befindet sich unmittelbar an der betreffenden Brennkraftmaschine, wohingegen
der Rest der dargestellten Schaltungsanordnung 10 in einem
so genannten Motorsteuergerät
des Kraftfahrzeugs untergebracht und über einen Kabelbaum mit den
Injektoren verbunden ist.
-
Die
Schaltungsanordnung 10 umfasst einen ersten Kondensator
C1, der im Betrieb der Schaltungsanordnung von einer Kraftfahrzeugbatterie
auf eine bezüglich
eines Bezugspotentials GND (elektrische Fahrzeugmasse) vorgegebene
Betriebsspannung von Ub=12V aufgeladen wird.
-
Des
weiteren umfasst die Schaltungsanordnung 10 einen DC/DC-Wandler 12,
der mit der Betriebsspannung Ub des ersten Kondensators Cl versorgt
wird und zum Aufladen eines zweiten Kondensators C2 (Zwischenkreiskondensator)
auf eine Zwischenkreisspannung Uz>Ub
dient. Dieser DC/DC-Wandler 12 ist gebildet aus einer die
auf Betriebsspannung Ub bzw. Zwischenkreisspannung Uz befindlichen
Anschlüsse
der beiden Kondensatoren C1, C2 miteinander verbindenden Reihenschaltung aus
einer ersten Wicklung L1',
einer induktiv damit gekoppelten zweiten, gleichsinnig gewickelten
Wicklung L1'' und einer Diode
D1, sowie einem getaktet betriebenen Wandlerschalter in Form eines
FET T1, der zwischen einem die erste Wicklung L1' und die zweite Wicklung L1'' miteinander verbindenden Schaltungsknoten
K1 und dem Bezugspotential GND angeordnet ist. Diese Realisierung
des DC/DC-Wandlers 12 ist an sich bekannt und dient im dargestellten
Beispiel dazu, die Bordspannung (Ub) von 12V auf eine den zweiten
Kondensator C2 ladenden Zwischenkreisspannung von etwa 200V zu wandeln.
-
Schließlich umfasst
die Schaltungsanordnung 10 eine Ladekreisanordnung 14 sowie
eine Entladekreisanordnung 16 zum Aufladen der Piezoelemente
P1, P2... bezüglich
des Bezugspotentials GND ausgehend von der Zwischenkreisspannung
Uz bzw. zum Entladen dieser Piezoelemente P1, P2... . In an sich
bekannter Weise sind diese Piezoelemente jeweils als ein Aktor in
einem Servoeinspritzventil verwendet, welches beim Aufladen des
Piezoelements einen Kraftstoffeinspritzvorgang beginnt, der mit
dem Entladen dieses Piezoelements wieder beendet wird.
-
Die
Ladekreisanordnung 14 umfasst einen parallel zu dem zweiten
Kondensator C2 geschalteten Ladekreis zum Aufladen des Piezoelements
P1, in welchem dieses kapazitive Stellglied P1 in Reihenschaltung
mit einem induktiven Element bzw. einer Drossel L2 und einem Ladeschalter
in Form eines FET T2' angeordnet
ist. Im dargestellten Beispiel verläuft dieser Ladekreis ausgehend
von dem aufgeladenen Anschluss des zweiten Kondensators C2 über die
Drossel L2, einen Strommesswiderstand Rs, das Piezoelement P1 und
den Ladeschalter T2' zur
Fahrzeugmasse GND. Ferner ist wie dargestellt eine Freilaufdiode
D2' zwischen einem
das Piezoelement P1 und den Ladeschalter T2' verbindenden Schaltungsknoten und einem
den zweiten Kondensator C2 und die Drossel L2 verbindenden Schaltungsknoten
angeordnet, so dass während
eines getakteten Betriebs des Ladeschalters T2' mit einer Ladeschaltfrequenz, die typischerweise
in einem Bereich von 1 kHz bis 100 kHz liegt, im eingeschalteten
Zustand von T2' ein Ladestrom
von dem Kondensator C2 über
die Drossel L2, den Strommesswiderstand Rs, das Piezoelement P1
und den Ladeschalter T2' zur
Fahrzeugmasse GND fließt,
wohingegen im ausgeschalteten Zustand von T2' ein Ladestrom in einem Freilaufstromkreis
fließt,
der gebildet ist von der Drossel L2, dem Strommesswiderstand Rs,
dem Piezoelement P1 und der Freilaufdiode D2'.
-
Wie
dargestellt ist ein ähnlicher
Ladekreis samt Freilaufstromkreis für jedes weitere Piezoelement
gebildet, für
das Piezoelement P2 beispielsweise durch die Drossel L2, den Strommesswiderstand Rs,
das Piezoelement P2 selbst, sowie einen Ladeschalter T2'' bzw. eine Freilaufdiode D2''. Die Ladekreise weisen somit einen
die Drossel L2 und den Strommesswiderstand Rs enthaltenden gemeinsamen
Ladekreisabschnitt und entsprechend der Anzahl an Piezoelementen
P1, P2... mehrfach parallel zueinander ausgeführte Ladekreisabschnitte auf,
die jeweils das betreffende Piezoelement P1, P2... und in Reihe
dazu geschaltet den Auswahl/Ladeschalter T2', T2''... enthalten und über jeweilige
Freilaufdioden D2',
D2''... mit dem in 1 linken
Anschluss der Drossel L2 verbunden sind.
-
Die
Auswahl/Ladeschalter T2',
T2''... dienen hierbei
also sowohl zum Einschalten des gewünschten Ladestroms als auch
zur Auswahl des Piezoelements aus der Mehrzahl von verwendeten Piezoelementen.
An der durch den zweiten Kondensator C2 gebildeten Zwischenkreisversorgung
können
somit vorteilhaft mehrere Piezoelemente in schaltungstechnisch einfacher
Weise geladen werden. Dies gilt auch für das Entladen dieser Piezoelemente,
wie nachfolgend erläutert.
-
Die
Entladekreisanordnung 16 weist zum Entladen des Piezoelements
P1 einen parallel zu diesem kapazitiven Stellglied P1 geschalteten
Entladekreis auf, umfassend eine Reihenschaltung aus dem Strommesswiderstand
Rs, einer dritten Wicklung L1'''',
einem Entladeschalter in Form eines FET T3 sowie einer Entkopplungsdiode
D3'. Für alle weiteren Piezoelemente
sind hierbei ähnliche
Entladekreise gebildet, für
das Piezoelement P2 beispielsweise durch den Strommesswiderstand
Rs, die dritte Wicklung L1''', den Entladeschalter T3 und eine Entkopplungsdiode
D3''. Die Entladekreise
weisen somit einen den Strommesswiderstand Rs, die dritte Wicklung
L1''' sowie den Entladeschalter T3 enthaltenden gemeinsamen
Entladekreisabschnitt und entsprechend der Anzahl an Piezoelementen
mehrfach parallel zueinander ausgeführte Entladekreisabschnitte auf,
die jeweils durch eine der Entkopplungsdioden D3', D3''... gebildet sind.
-
Zum
Entladen sämtlicher
Piezoelemente P1, P2... wird der Entladeschalter T3 (ähnlich den
Auswahl/Ladeschaltern T2',
T2''... beim Laden) getaktet betrieben,
wodurch das zuletzt aufgeladene Piezoelement in kontrollierter Weise über den
entsprechenden Entladekreis entladen wird.
-
Die
dritte Wicklung L1''' befindet sich auf einem gemeinsamen
Ferritkern mit den Wicklungen L1' und
L1'' des DC/DC-Wandlers 12 und
ist somit in der dargestellten Ausführungsform induktiv sowohl
mit der ersten Wicklung L1' als
auch der zweiten Wicklung L1'' gekoppelt, besitzt
letzteren Wicklungen gegenüber
jedoch entgegengesetzten Wicklungssinn. Beim Entladen der Piezoelemente
P1, P2... durch einen getakteten Betrieb des Entladeschalters T3
wirkt diese dritte Wicklung L1''' somit nach Art eines Sperrwandlers
und überträgt hierbei
vorteilhaft Energie zurück
in den DC/DC-Wandler 12, wo diese ef fizient zurückübertragene
Energie zur Aufladung des Zwischenkreiskondensators C2 (über die
Diode D1) herangezogen wird. Die Wicklung L1''' kann gewissermaßen als
eine "Zusatzwicklung" des ohnehin vorgesehenen
DC/DC-Wandlers 12 betrachtet werden, die gleichzeitig zur
Entladestrombegrenzung als auch zur Energierückübertragung dient. Um bei dieser Rückladephase
jegliche Beeinträchtigung
des DC/DC-Wandlerbetriebs zu vermeiden, wird während dieser Rückladephase
der Wandlerschalter T1 in ausgeschaltetem Zustand gehalten.
-
Mit
der Schaltungsanordnung 10 kann daher eine Mehrzahl von
kapazitiven Stellgliedern in schaltungstechnisch einfacher Weise
und mit hohem Wirkungsgrad auf- und entladen werden. Die getrennte Ausbildung
der Lade- und Entladekreise ermöglicht hierbei
deren unabhängige
Optimierung, wobei trotz dieser Trennung von Lade- und Entladezweigen
keine zusätzliche,
eigens zur Entladestrombegrenzung vorgesehene Induktivität benötigt wird,
sondern diese Entladestrombegrenzung bereits durch eine Zusatzwicklung
des DC/DC-Wandlers erzielt wird.
-
Bei
der nachfolgenden Beschreibung eines weiteren Ausführungsbeispiels
mit Bezug auf 2 werden für analoge Schaltungsblöcke die
gleichen Bezugszahlen, jedoch um 100 erhöht, verwendet, und werden für analoge
elektronische Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu der bereits
mit Bezug auf 1 beschriebenen Ausführungsform
eingegangen und im Übrigen
hiermit ausdrücklich
auf die diesbezügliche
Beschreibung verwiesen.
-
2 zeigt
eine gegenüber
der Schaltungsanordnung 10 von 1 modifizierte
Schaltungsanordnung 110, die wieder zur Ansteuerung einer
beliebigen Anzahl von kapazitiven Stell gliedern geeignet ist, von
denen in der Figur der Klarheit der Darstellung halber wieder lediglich
zwei dieser Stellglieder in Form der Piezoelemente P1 und P2 eingezeichnet sind.
-
Bei
der Schaltungsanordnung 110 sind die als FETs ausgebildeten
Schalter T2', T2''... lediglich als Auswahlschalter zur
Auswahl eines zu ladenden oder zu entladenden Piezoelements vorgesehen, wohingegen
zum Schalten des Ladestroms ein zwischen der Diode D1 und der Drossel
L2 eigens angeordneter Ladeschalter in Form eines FET T4 vorgesehen
ist.
-
Das
Aufladen eines bestimmten Piezoelements erfolgt hierbei, indem zunächst einer
der Auswahlschalter T2',
T2''... zur Auswahl des
gewünschten
Piezoelements eingeschaltet wird und dann der Ladeschalter T4 (ähnlich den
Auswahl/Ladeschaltern T2',
T2''... in 1)
getaktet betrieben wird.
-
Diesem
schaltungstechnischen Mehraufwand steht zunächst der Vorteil gegenüber, dass,
wie in 2 dargestellt, mit dem Strommesswiderstand Rs
ein für
alle Piezoelemente P1, P2... gemeinsamer Ladekreisabschnitt (und
auch Entladekreisabschnitt) gebildet wird, an welchem der den Stromfluss
repräsentierende
Spannungsabfall an diesem Strommesswiderstand Rs bezüglich des
festen Potentials der Fahrzeugmasse GND gemessen werden kann. Im Gegensatz
zu der Ausführungsform
nach 1 ist also der zu messende Spannungsabfall am
Strommesswiderstand Rs nicht "floatend". Damit vereinfacht
sich der schaltungstechnische Aufwand des hier nicht dargestellten
Teils der Motorsteuerelektronik, welcher diesen Spannungsabfall
erfasst und die dargestellten Transistoren zur geregelten Auf- und Entladung
der Stellglieder P1, P2... an deren Gateanschlüssen ansteuert. Ein weiterer
Vorteil der Anordnung von eigens zur Auswahl eines Piezoelements vorgesehenen
Auswahlschaltern liegt darin, dass die in der Ausführungsform
nach 1 verwendete Mehrzahl von Freilaufdioden durch
eine einzige Freilaufdiode ersetzt werden kann (D2 in 2),
die zwischen einem den Ladeschalter T4 und die Drossel L2 verbindenden
Schaltungsknoten und dem Bezugspotential GND angeordnet ist, und/oder
dass die bei der Ausführungsform
nach 1 verwendete Mehrzahl von Entkopplungsdioden D3', D3''... entfallen kann bzw., wie in 2 dargestellt,
durch eine einzige Diode D3 ersetzt werden kann. Wenn diese eine
Ladestromrichtung im Entladekreis 116 verhindernde Diode
D3 wie dargestellt zwischen der dritten Wicklung L1''' und
dem Entladeschalter T3 angeordnet wird, so ergibt sich hierbei der
Vorteil, dass dieser Entladeschalter T3 direkt auf die Fahrzeugmasse
GND bezogen betrieben wird. Dies gestattet wieder schaltungstechnische
Vereinfachungen bei der Ansteuerung dieses als FET ausgebildeten
Schalters.
-
Wie
bei der Ausführungsform
nach 1 sind Lade- und Entladezweige weiterhin getrennt ausgebildet
und können
somit unabhängig
voneinander an die im betreffenden Anwendungsfall vorliegenden Erfordernisse
angepasst und optimiert werden.
-
Ein
weiterer, sehr wesentlicher Unterschied zur Ausführungsform nach 1 liegt
auch darin, dass durch die statischen Auswahlschalter T2', T2''... im Fahrzeugmassezweig keine geschalteten
Spannungen direkt auf den Piezoanschlussleitungen anliegen, die
von der Motorsteuerelektronik (Motorsteuergerät) zu den einzelnen Piezoelementen
führen. Durch
diesen Umstand werden die EMV-Eigenschaften der Gesamtanordnung
wesentlich verbessert.
-
Wenngleich
bei den beschriebenen Ausführungsformen
die Schalter als Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren verwendet
sind, so ist dies keineswegs zwingend. Vielmehr können an
dieser Stelle ganz allgemein beliebige steuerbare Schaltelemente eingesetzt
werden, insbesondere beispielsweise so genannte IGBTs ("Insulated Gate-Bipolar-Transistors"), gegebenenfalls
mit Paralleldioden.