DE102005028953A1

DE102005028953A1 - Kraftstoffpumpensystem

Info

Publication number: DE102005028953A1
Application number: DE102005028953A
Authority: DE
Inventors: John R. Forgue; Matthias Henschel; Michael J. Riddell; Peter Schreuder
Original assignee: TI Group Automotive Systems LLC
Current assignee: TI Group Automotive Systems LLC
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2006-03-16
Also published as: JP2006009799A; US20050284448A1

Abstract

Ein Kraftstoffpumpensystem umfasst eine Kraftstoffpumpe mit einem Gleichstrommotor zum Antreiben eines Pumpenelements zum Fördern von Kraftstoff mit einer variablen Geschwindigkeit zu einem Motor. Eine impulsbreitenmodulierte Steuereinheit ist mit dem Motor zwecks Variierens der Drehzahl desselben elektrisch verbunden, wodurch die Kraftstoffpumpe den Kraftstoff mit einer variablen Geschwindigkeit zu dem Motor fördern kann. Die Steuereinheit umfasst einen ersten Schalter in Reihe mit dem Motor und einen zweiten Schalter parallel über dem Motor. In einem Motorausschalttakt deaktiviert die mit den Schaltern verbundene Steuerelektronik zwecks Umschaltens des Motors den ersten Schalter und aktiviert den zweiten Schalter. In einem Motoreinschalttakt deaktiviert die Steuerelektronik zwecks Antreibens des Motors den ersten Schalter und aktiviert den zweiten Schalter.

Description

Verweis auf zugehörige Anmeldung
Die Antragsteller beanspruchen Priorität für die provisorische Anmeldung in den USA, laufende Nr. 60/582,216, eingereicht am 23. Juni 2004.
Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft im allgemeinen Kraftstoffsysteme für Verbrennungskraftmaschinen und im besonderen Kraftstoffpumpensysteme mit Kraftstoffpumpen, welche von elektrisch betriebenen und elektronisch gesteuerten Gleichstrommotoren (DC-Motoren) angetrieben werden.

Hintergrund der Erfindung

Mit Gleichstrommotor versehene Kraftstoffpumpen werden weithin verwendet, um Kraftstoff aus Kraftstofftanks zu Verbrennungskraftmaschinen zu fördern. Bei herkömmlichen Verfahren zum Steuern von Kraftstoffdruck und -strom wird ein mechanischer Druckregler verwendet, welcher eine konstante Zufuhr von Kraftstoff bei einem festgelegten Druck zu dem Motor sicherstellt und typischerweise in dem Kraftstofftank oder an diesem in Reihe mit einer zu dem Motor führenden Kraftstoffversorgungsleitung angebracht ist. Durch eine Auslassöffnung der Kraftstoffpumpe wird die in Reihe befindliche Kombination von Regler und Kraftstoffversorgungsleitung gespeist. Der Motor der Kraftstoffpumpe wird typischerweise mit der Spannung einer vollen Batterie versorgt, und jeder den Bedarf des Motors übersteigende Kraftstoffstrom wird über den mechanischen Druckregler in den Kraftstofftank zurück geleitet. Mit anderen Worten, herkömmliche Kraftstoffpumpen laufen selbst dann mit voller Kapazität, wenn sich der Kraftstoffbedarf ändert. Solche Kraftstoffsysteme sind dadurch relativ einfach, dass der Kraftstoffdruck autonom von einer Pumpe und dem mechanischen Druckregler ohne Eingabe von einem elektronischen Motorsteuermodul (ECM) reguliert wird.

In jüngster Zeit sind jedoch die Strategien der Kraftstoffpumpensteuerung anspruchsvoller geworden und erfordern eine Eingabe von einem ECM, um variablen Druck und variable Bedarfserfordernisse zu unterstützen; also etwas, was mit der vorgenannten herkömmlichen Architektur nicht unterstützt wird. Typischerweise bestimmt das ECM den gewünschten Kraftstoffdruck auf der Basis der Motorbetriebs- und Belastungsbedarfsbedingungen. Dieser Druck und manchmal der Kraftstoffbedarf und andere für die Steuerung der Kraftstoffpumpe relevanten Informationen werden mit einem geeigneten Protokoll über elektrische Signale zu der Kraftstoffpumpen-Steuereinheit übermittelt. Demgemäß können Kraftstoffdruck und -menge ohne Verwendung eines mechanischen Reglers effektiver gesteuert werden, indem gemäß dem Bedarf des Motors an Kraftstoff variable elektrische Leistung zu der Kraftstoffpumpe geliefert wird. Die zu dem Motor geförderte Kraftstoffmenge wird durch Einstellen der Geschwindigkeit eines Pumpenelementes durch Steuerung der Drehzahl des DC-Motors variiert, welcher das Pumpenelement antreibt. Durch Nutzung einer elektronischen Kraftstoffpumpen-Steuereinheit, welche die variable Spannung und/oder den Strom zu der Kraftstoffpumpe (d.h. die variable Leistung) unterstützt, lassen sich sowohl der variable Druck als auch der variable Bedarf ohne zuviel Zuführung von Kraftstoff zustande bringen. Durch diese Vorgehensweise wird durch Minimierung des Leistungsverbrauchs, geringere Erwärmung des Kraftstoffs, weniger Dampferzeugung, längere Betriebsdauer der Pumpe und ruhigeren Betrieb zu einem effektiveren System beigetragen.

Beispielsweise werden impulsbreitenmodulierte (PWM) Steuereinheiten zum Steuern von DC-Motoren verwendet, wobei die von einer Leistungsversorgung zu dem DC-Motor gelieferte Leistungsmenge durch hochfrequentes Ein-/Ausschalten der Verbindung dazwischen moduliert wird. Dieser Vorgang des Ein- und Ausschaltens von Steuerelementen für eine durchschnittliche Leistungsmenge, welche zu dem DC-Motor geführt wird, und für das Verhältnis der Einschaltzeit zu der Ausschaltzeit ist als Arbeitstakt bekannt. Durch Änderung des Arbeitstaktes wird die zu dem Motor geführte Leistung modifiziert, indem der Betätigungspunkt des Pumpenmotors geändert wird, und mithin werden der Druck des Kraftstoffs und die Ausgabe des Stroms zu dem Motor variiert.

Unter speziellem Verweis auf die Zeichnungen stellen 5 und 6 Teilschemata eines Systems nach dem Stand der Technik mit einem DC- Kraftstoffpumpenmotor dar, welcher von einer niederspannungsseitigen Leistungsausgangsstufe eines PWM-Steuerelementes angetrieben wird, welches Steuerelektronik, einen Leistungsschalter S1, eine Leistungssteuerleitung zwischen der Steuerelektronik und dem Leistungsschalter S1 und eine Rezirkulationsdiode umfasst. Eine positive Klemme des Motors ist mit einer Spannungsquelle +V_batterie verbunden, und eine negative Klemme des Motors ist funktionsmäßig durch den PWM-gesteuerten Leistungsschalter S1 mit einer Erdungsklemme verbunden, um die elektrische Bahn zu vervollständigen und Leistung zu dem Motor zu liefern. Die Rezirkulationsdiode ist über dem Motor positioniert, wobei ihre Kathode sowohl mit der Spannungsquelle als auch der positiven Klemme des Motors verbunden ist. Die Rezirkulationsdiode ist notwendig, um eine Rezirkulationsbahn für die Freigabe von in der Induktanzspule des Motors gespeicherte Energie bereitzustellen und dadurch der Entstehung von schädigenden Spannungssprüngen vorzubeugen.

5 mit dem Stand der Technik stellt einen Leitungstakt (oder Motoreinschalttakt oder Motor-ein-Zyklus) dar, bei welchem die PWM-Steuerelektronik den Leistungsschalter S1 vorübergehend geschlossen hat, damit Leistung von der Batterie oder Stromquelle durch den Motor hindurch und durch den geschlossenen Leistungsschalter S1 hindurch zu der Erdungsklemme fließen kann. In diesem Takt leitet die Rezirkulationsdiode nicht und rezirkuliert mithin keine Leistung, weil sie in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, wobei die Kathode am Batteriepotenzial liegt und die Anode am Erdungspotenzial liegt, wobei Schaltungsabfälle vernachlässigt werden.

In dem Rezirkulationstakt (oder Motorausschalttakt oder Motor-aus-Zyklus) gemäß 6 öffnet die PWM-Steuerelektronik vorübergehend den Leistungsschalter S1, um den Stromkreis zu unterbrechen und den Motor abzuschalten. Nunmehr schaltet die Rezirkulationsdiode den induktiven Strom in dem Motor von der negativen Motorklemme zurück zu der positiven Motorklemme um. Leider ist jedoch die Rezirkulationsdiode nicht zu 100% effektiv, und durch die Diode hindurch wird Leistung als Wärmeverlust vergeudet. Beispielsweise können Dioden in herkömmli chen Kraftstoffpumpensystemen einen Spannungsabfall in Durchlassrichtung von mehr als 0,8 Volt aufweisen.

Zur Darstellung des Problems lässt sich die Leistung in der Diode mit der folgenden Gleichung ausdrücken, wobei eine kontinuierliche Rezirkulation des Stroms angenommen wird: Pd = toff × (Imotor) × Vd/ton + toff),wobei P_d = Leistungsabführung der Diode
T_off = Ausschalt-Zeit der Antriebsstufe
T_on = Einschalt-Zeit der Antriebsstufe
V_d = Diodenspannung in Durchlassrichtung
I_motor = Rezirkulierender Motorstrom

Wenn mithin ein Motor 10 A entnimmt und eine PWM-Steuereinheit einen Arbeitstakt von 50% bei einer Schaltfrequenz von 50 Mikrosekunden (μs) und eine Diode mit einem Spannungabfall von 0,8 Volt in Durchlassrichtung aufweist, dann gilt Pd = 25 μs × 10 A × 0,8 V/(25 μs + 25 μs) = 4,0 Watt.

Demgemäß ist die Effektivität des Systems beeinträchtigt, da Energie als Wärme verloren geht. Bei einem Leistungseingang von 100 W erbringt die Diode zusätzlich zu der ungewünschten Wärme, welche diese Diode erzeugt, einen Effektivitätsabfall von 4%. In jedem Fall muss der Wärmeverlust mit einem Kühlkörper abgeführt werden, wodurch Packungsgröße der Steuereinheit und Kosten ansteigen.

Trotz sehr großer Verbesserungen in Konstruktion und Aufbau von mit DC-Motor versehenen Kraftstoffpumpensystemen bleibt viel Anlass zur Verminderung der elektromagnetischen Interferenzeigenschaften und mithin zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeitsleistung (EMC) dieser Systeme und zur Verkleinerung der Größe der Steuereinheitspackungen dafür. Bei der Nutzung von PWM-Antrieben tragen rasche Anstiegs- und Abfallzeiten bekanntermaßen übermäßig zu elektromagnetisch abgestrahlten Emissionen bei. Noch verschlimmert wird dieses Problem durch Verwendung langer Kabellängen (typischerweise von mehr als 0,5 Metern) für eine Kabeltrasse von der Steuereinheit zur Pumpe. Bei derzeiti gen Kraftstoffpumpensystemen werden auch PWM-Steuereinheiten verwendet, welche auf Grund von sehr großen Uneffektivitäten der Leistungsumwandlung zum Heißlaufen neigen, wodurch verhältnismäßig große Kühlkörper mit Kühlkörperrippen und mithin mit größeren Elektronikpackungen erforderlich sind.

Zusammenfassung

Es ist ein Kraftstoffpumpensystem zum Liefern von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zu einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Eine Kraftstoffpumpe weist mindestens eines von einem dynamischen Pumpelement oder einem Verdrängerpumpelement zum Pumpen des Kraftstoffs auf. Es ist ein Gleichstrommotor zum Antreiben des dynamischen Pumpelements oder des Verdrängerpumpelements zum Fördern des Kraftstoffs mit einer variablen Geschwindigkeit zu dem Motor vorgesehen. Es ist eine impulsbreitenmodulierte Steuereinheit in elektrischer Verbindung mit dem Gleichstrommotor zwecks Variierens der Drehzahl des Gleichstrommotors vorgesehen, wodurch die Kraftstoffpumpe den Kraftstoff mit der einer variablen Geschwindigkeit zu dem Motor fördern kann. Die Steuereinheit umfasst einen ersten Schalter, der mit dem Gleichstrommotor in Reihe geschaltet ist und dessen Steuerelement mit einer Leistungssteuerleitung verbunden ist. Ein zweiter Schalter ist über den Gleichstrommotor parallel geschaltet ist, und sein Steuerelement ist mit einer Rezirkulationssteuerleitung verbunden. Mit der Leistungssteuerleitung ist Steuerelektronik zwecks Erzeugens eines Stromausschaltsteuersignals zum Deaktivieren des ersten Schalters auf Aus in einem Motorabschalttakt und auch zwecks Erzeugens eines Leistungseinschaltsignals zum Aktivieren des ersten Schalters in einem Motoreinschalttakt auf Ein zum Antreiben des Gleichstrommotors verbunden. Die Steuerelektronik ist auch zwecks Erzeugens eines Rezirkulationseinschaltsteuersignalsignal zur Aktivierung des zweiten Schalters auf Ein in dem Motorausschalttakt und auch zum Erzeugen eines Umwälzabschaltsteuersignals mit der Umwälzsteuerleitung verbunden, um den zweiten Schalter in dem Motoreinschalttakt auf Aus zu schalten.

Zumindest einige von den Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen, welche mit zumindest bestimmten Ausführungsformen der Erfindung erfüllt/zustande gebracht werden können, sind die Bereitstellung eines Kraftstoffpumpensystems, das sich ohne weiteres an verschiedene Kraftstoffsystemanwendungen anpassen lässt; welches Verbesserungen in der EMV-Leistung ermöglicht; eine Verkleinerung in der Größe einer Steuerelektronikpackung zulässt; weniger Wärmeverlust und eine Steigerung in der Betriebsleistung erbringt; eine verhältnismäßig einfache Konstruktion aufweist, ökonomisch gefertigt und montiert wird, zuverlässig ist und eine lange Nutzungsdauer aufweist.

Natürlich werden für den Fachmann auch andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile angesichts dieser Offenbarung erkennbar. Durch verschiedene andere Kraftstoffsysteme und Kraftstoffpumpensysteme, welche die Erfindung verkörpern, können mehr oder weniger als die angemerkten andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile erfüllt/zustande gebracht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) sowie der besten Ausführungsweise, den beigefügten Ansprüchen und den anliegenden Zeichnungen erkennbar, in denen:
1A eine schematische Ansicht eines Kraftstoffsystems ist, in dem ein Kraftstoffpumpensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ist;
1B eine schematische Ansicht eines alternativen Kraftstoffsystems ist;
1C eine schematische Ansicht eines anderen alternativen Kraftstoffsystems ist;
2 ein topologisches Schema eines Abschnitts des Kraftstoffpumpensystems gemäß 1A ist, welches eine mit DC-Motor versehene Kraftstoffpumpe und eine zugeordnete Steuereinheit sowie Schalter darstellt, die einen Motoreinschalttakt veranschaulichen;
3 eine modifizierte Version des Schemas gemäß 2 ist, das einen Motorausschalttakt darstellt;
4 ein topologisches Schema eines alternativen Abschnitts des Kraftstoffpumpensystems gemäß 1A ist, welches eine mit DC-Motor versehene Kraftstoffpumpe und eine zugeordnete hochspannungsseitige Steuereinheit sowie Schalter darstellt, die einen Motorausschalttakt veranschaulichen;
5 ein topologisches Schema einer traditionellen mit DC-Motor versehene Kraftstoffpumpe und einer zugeordneten niederspannungsseitigen Steuereinheit ist, das einen Motorausschalttakt gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht; und
6 eine modifizierte Version des Schemas gemäß 5 ist, das einen Motorausschalttakt für eine traditionelle Antriebskonfiguration darstellt.
Ausführliche Beschreibung
Allgemein bringt die vorliegende Erfindung Verbesserungen bei der Leistung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und eine Verkleinerung der Größe von Elektronikpackungen bei durch PWM gesteuerten, mit DC-Motor ausgestattete Kraftstoffpumpen. Die EMV ist die Fähigkeit elektronischer Ausrüstungen, befriedigend zu funktionieren, ohne unerträgliche elektromagnetische Störung bei anderer nahe gelegener Elektronik zu erzeugen. Eine Methode zur Verbesserung der EMV-Leistung besteht darin, elektrische Bauelemente wie elektromagnetische Filter, Entkopplungskondensatoren und dergleichen einzubauen. Diese Art einer Verbesserung vergrößert meist Packungsgröße und Kosten, anstatt diese zu vermindern.
Deshalb wird die EMV-Leistung durch Verwendung der vorliegenden Erfindung verbessert, indem die PWM-Schaltzeiten verlangsamt werden, um die Spannungsänderungsgeschwindigkeit dv/dt und die Stromänderungsgeschwindigkeit di/dt besser senken zu können. Beide diese Maße dienen dazu, die Summe der Oberschwingungen in der Übertragungsleitung zu senken oder beschränken. Bei hochleistungsfähigen PWM-Antrieben lassen sich Schaltzeiten in Zehnteln von Nanosekunden zustande bringen. Zwar trägt das zu größerer Leistung bei, jedoch wären solche Schaltzeiten unzulässig bei der Ausführung einer entfernt gelegenen Kraftstoffpumpe mit Kabeln von der Steuereinheit zur Pumpe, welche oft als Übertra gungsleitungen wirken und dadurch zu hohen, elektromagnetisch abgestrahlten Emissionen führen. In Kraftfahrzeugrichtlinien werden im wesentlichen eine akzeptable Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dv/dt) von weniger als einem V/μs und eine Stromänderungsgeschwindigkeit (di/dt) von weniger als 300 Milliampere/μs festgelegt. Das entspricht einer Schaltzeit von länger als 12 μs bei einem 12V-System. Das ist zwar im wesentlichen unzulässig hoch, soll jedoch die Schaltzeit verlangsamen, um die EMV-Anforderungen zu erfüllen.
Durch langsamere Schaltzeiten wird jedoch meist Verlustwärme erzeugt, welche neben anderer durch die PWM erzeugter Verlustwärme durch Vergrößerung anstatt durch Verkleinerung der Packungsgröße abgeführt werden muss, um einen größeren Kühlkörper zum Ableiten der auf das langsamere Schalten zurückführbaren Verlustwärme unterzubringen. Mithin wurde festgestellt, dass Verbesserungen in der EMV-Leistung und Verkleinerungen der PWM-Packungsgröße miteinander konkurrierende Ziele sind.
Bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung zwecks Angehens dieser Ziele wurde erkannt, dass man sowohl Verkleinerungen der PWM-Packungsgröße als auch Verbesserungen in der EMV-Leistung erhalten kann, wenn man einen sehr großen Teil der anderen von der PWM erzeugten Verlustwärme mit einem anderen Mittel ableiten könnte, oder wenn der anderen Verlustwärme im wesentlichen vorgebeugt werden könnte. Was letzteres betrifft, so wurde festgestellt, dass die andere Verlustwärme bei PWM-Steuereinheiten nach dem Stand der Technik im wesentlichen durch eine einzige Art eines Bauelementes erzeugt wird, eine Rezirkulationsdiode über dem Motor.
1A stellt ein Kraftstoffsystem 10 dar, das die Merkmale der vorliegenden Erfindung in sich schließt und Kraftstoff 12 aus einem Kraftstofftank 14 zu einer Verbrennungskraftmaschine 16 liefert. Der Kraftstoff 12 wird von einer in dem Kraftstofftank 14 positionierten Kraftstoffpumpe 20 aus dem Kraftstofftank 14 durch eine Kraftstoff-Hauptversorgungsleitung 18 hindurch abgegeben. Die Kraftstoffpumpe 20 enthält ein dynamisches Pumpelement 22, beispielsweise eine Turbine, ein Verdrängerelement wie einen Gerotor oder dergleichen, welche/welches Kraftstoff pumpt und von einem elektrischen DC-Motor 24 angetrieben wird, der damit verbunden ist. Mit dem Motor ist über verlängerte Steuerleitungen 28 eine entfernt gelegene PWM-Steuereinheit 26 verbunden, und die Steuereinheit 26 wird von einer Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie 30, mit Leistung versorgt. Als Alternative ist bei der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines elektronischen Motorsteuermoduls (ECM) 32 angedacht, welches mit Hilfe von wohlbekannten elektrischen Signalen und eines geeigneten Protokolls, beispielsweise eines analogen, digitalen, PWM- oder Ansteuerbereichsnetzes (CAN), mit dem Kraftstoffpumpen-Steuereinheit 26 verbunden werden kann. Das ECM 32 legt auf der Basis der Motorbelastungsbedingungen und anderen Betriebsbedingungen neben anderen Funktionen den gewünschten Kraftstoffdruck fest und übermittelt diese Steuereingangsinformationen zu der Kraftstoffpumpen-Steuereinheit 26. Als Alternative kann die Kraftstoffpumpen-Steuereinheit 26 jedoch unabhängig von dem ECM 32 derart betrieben werden, dass es keine Übermittlung von Steuereingangsinformationen für die Pumpe von diesem benötigt. Die Kraftstoffpumpe 20, der Motor 24 und die Steuereinheit 26 umfassen ein Kraftstoffsystem, welches gemäß den an Hand von 2 bis 4 beschriebenen Prinzipien der vorliegenden Erfindung funktioniert.
1B und 1C stellen andere gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen von Kraftstoffsystemen 110, 210 dar. Diese Ausführungsformen ähneln in vieler Hinsicht der Ausführungsform gemäß 1A, und gleiche Ziffern zwischen den Ausführungsformen bezeichnen in den gesamten mehreren Ansichten der Zeichnungsfiguren im wesentlichen gleiche oder sich entsprechende Elemente. Des weiteren braucht die Beschreibung des gemeinsamen Gegenstands hier im wesentlichen nicht wiederholt zu werden.
In 1B umfasst das Kraftstoffsystem 110 einen Kraftstoffdruckgeber 134 zum Messen des Drucks des Kraftstoffs in dem Motor 16 in jedem gegebenen Augenblick. Der Geber 134 steht vorzugsweise mit der Kraftstoffpumpen-Steuereinheit 26 in elektrischer Verbindung und mit einer Einspritzventilleitung, einem Kraftstoffverteilerrohr oder dergleichen innerhalb des Motors 16 in Fluidver bindung. Demgemäß kann die Steuereinheit 26 entsprechend dem tatsächlichen Kraftstoffdrucks an dem Motor 16 betätigt werden.
In 1C umfasst das Kraftstoffsystem 210 einen Kraftstoffdruckgeber 234 zum Messen des ausgegebenen Drucks der Kraftstoffzufuhr in jedem gegebenen Augenblick. Der Geber 234 steht vorzugsweise mit der Kraftstoffpumpen-Steuereinheit 26 in elektrischer Verbindung und mit der Kraftstoff-Hauptversorgungsleitung 18 unmittelbar stromab der Kraftstoffpumpe 20 in Fluidverbindung. Demgemäß kann die Steuereinheit 26 entsprechend dem tatsächlichen Kraftstoffdrucks an dem Motor 16 betätigt werden.
Bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass die verhältnismäßige uneffektive und heißlaufende Diode durch einen effektiveren und kühler laufenden elektronischen Schalter ersetzt werden könnte. Ein solcher Schalter ist vorzugsweise ein Halbleiterschalter, beispielsweise und nicht ausschließlich ein Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOSFET), ein bipolarer Sperrschichttransistor (BIT), ein bipolarer Isolierschichttransistor (IGBT), ein gesteuerter Siliciumgleichrichter (SCR), ein Thyristor, andere gesteuerte Gleichrichter und dergleichen. In jedem Fall ersetzt der Schalter die Diode und funktioniert gemäß den allgemeinen Prinzipien der Synchrongleichrichtung. Herkömmlicherweise ist ein Synchrongleichrichter eine Vorrichtung, bei welcher deren Kontakte zwecks Gleichrichtung durch einen Synchronvibrator oder dergleichen zu richtigen Zeitpunkten geöffnet und geschlossen werden. Beispielsweise wird in dem Bereich der schaltartgesteuerten Leistungsversorgungen eine "Lenkdiode" durch einen Transistor ersetzt oder parallel damit betrieben, um Verluste zu vermindern und dadurch den Wirkungsgrad zu erhöhen, wobei der Transistor während eines Induktorladetaktes ausgeschaltet ist und dann eingeschaltet wird, wenn sich der Induktor in die Last entlädt. Hier jedoch wirkt ein MOSFET als Rezirkulationsvorrichtung für einen Motor, in welchem Kontakte des MOSFET zu richtigen Zeitpunkten zwecks Umschaltens der induktiven Energie des Motors angesteuert werden.
2 und 3 stellen Teilschemata für ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, welche einen DC-Kraftstoffpumpen motor umfasst, der von einer niederspannungsseitigen Leistungsausgangsstufe einer PWM-Steuereinheit angetrieben wird, welche Steuerelektronik, einen Leistungsschalter Q1 wie beispielsweise einen MOSFET, BJT, IGBT, Thyristor, SCR und dergleichen, einen Synchrongleichrichter oder Rezirkulationsschalter Q2 wie beispielsweise einen MOSFET, BJT, IGBT, Thyristor, SCR und dergleichen, und Steuerleitungen zwischen der Steuerelektronik und den Schaltern Q1, Q2 umfasst. Eine positive Klemme des Motors ist mit einer Spannungsquelle +Vbat verbunden, und eine negative Klemme des Motors ist funktionsmäßig durch den PWM-gesteuerten Leistungsschalter mit einer Erdungsklemme verbunden, um die elektrische Bahn zu vervollständigen und Leistung zu dem Motor zu liefern. Der Leistungsschalter Q1 ist in Reihe mit dem Motor positioniert, wobei seine Quelle mit Erde verbunden ist, sein Drain mit der negativen Motorklemme verbunden ist und sein Steuerelement oder Gatter über die Leistungssteuerleitung mit der PWM-Steuerelektronik verbunden ist. Der zweite, der Rezirkulationsschalter Q2, ist über den Motor hin positioniert, wobei sein Drain sowohl mit der Spannungsquelle als auch der positiven Klemme des Motors verbunden ist, seine Quelle sowohl mit dem Drain des Leistungsschalters Q1 als auch mit der negativen Klemme des Motors verbunden ist und sein Gatter über die Rezirkulationssteuerleitung mit der PWM-Steuerelektronik verbunden ist. Der Rezirkulationsschalter Q2 ist zum Rezirkulierenlassen von Strom durch den Motor notwendig, um die darin innewohnende induktive Energie umzuschalten und dadurch der Entstehung von schädigenden Spannungssprüngen vorzubeugen.
2 stellt einen Leitungstakt (oder Motoreinschalttakt) dar, bei welchem die PWM-Steuerelektronik den Leistungsschalter Q1 vorübergehend auf "EIN" geschaltet" oder geschlossen hat, indem sie über die Leistungssteuerleitung ein Leistungseinschaltsignal sendete, um das Schaltergatter einzuschalten oder zu aktivieren, damit Leistung von der Batterie oder Leistungsversorgung durch den Motor hindurch und durch den geschlossenen Leistungsschalter Q1 hindurch zu der Erdungsklemme fließen kann. Gleichzeitig oder direkt vor der Aktivierung des Leistungsschalters Q1 mit geeigneter Totzeit hat die PWM-Steuerelektronik den Rezirkulati onsschalter Q2 vorübergehend auf "AUS" geschaltet" oder geöffnet, indem sie über die Rezirkulationssteuerleitung ein Rezirkulationsausschaltsignal sendete, um das Schaltergatter derart auszuschalten oder zu deaktivieren, dass der Rezirkulationsschalter nicht leitet und mithin den Motor nicht überbrückt. Mit anderen Worten, die MOSFETs werden derart miteinander synchronisiert, dass sie beide nicht gleichzeitig geschlossen werden können und damit vermieden wird, dass die Batterie darüber hin überbrückt wird und die MOSFETs beschädigt.
In einem Rezirkulationstakt (oder Motorausschalttakt) gemäß 3 öffnet die PWM-Steuerelektronik vorübergehend den Leistungsschalter Q1, indem sie entlang der Leistungssteuerleitung ein Leistungsabschaltsignal sendete, um das Schaltergatter zu deaktivieren und dadurch den Stromkreis zu unterbrechen und an den Motor angelegte Leistung zu beseitigen. Nach einer kurzen Dauer oder Totzeit schließt die PWM-Steuerelektronik den Rezirkulationsschalter Q2 auf EIN, indem sie über die Leistungssteuerleitung ein Rezirkulationseinschaltsignal sendet, um das Schaltergatter derart zu aktivieren, dass der Rezirkulationsschalter Q2 leitet, und mithin die induktive Energie in dem Motor von der negativen Motorklemme zu der positiven Motorklemme zurück schaltet.
4 stellt ein Teilschema für ein System gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, welche einen DC-Kraftstoffpumpenmotor umfasst, der von einer hochspannungsseitigen Leistungsausgangsstufe einer PWM-Steuereinheit angetrieben wird, welche Steuerelektronik, einen Leistungsschalter Q1' wie beispielsweise einen MOSFET, BJT, IGBT, Thyristor, SCR und dergleichen, einen Synchrongleichrichter oder Rezirkulationsschalter Q2' wie beispielsweise einen MOSFET, BJT, IGBT, Thyristor, SCR und dergleichen, und Steuerleitungen zwischen der Steuerelektronik und den Schaltern Q1', Q2' umfasst. Eine positive Klemme des Motors ist durch den PWM-gesteuerten Leistungsschalter Q1' funktionsmäßig mit einer Spannungsquelle +V_batterie verbunden, und eine negative Klemme des Motors ist funktionsmäßig mit einer Erdungsklemme verbunden, um die elektrische Bahn zu vervollständigen und Leistung zu dem Motor zu liefern. Der Leistungsschalter Q1' ist in Reihe mit dem Motor positioniert, wobei sein Drain mit der Spannungsquelle +V_batterie verbunden ist, seine Quelle mit der positiven Motorklemme verbunden ist und sein Steuerelement oder Gatter über die Leistungssteuerleitung mit der PWM-Steuerelektronik verbunden ist. Der zweite, der Rezirkulationsschalter Q2', ist über den Motor hin positioniert, wobei sein Drain sowohl mit der Quelle des Leistungsschalters Q1' als auch der positiven Klemme des Motors verbunden ist, seine Quelle sowohl mit Erde als auch der negativen Klemme des Motors verbunden ist und sein Gatter über die Rezirkulationssteuerleitung mit der PWM-Steuerelektronik verbunden ist. Der Rezirkulationsschalter Q2' ist zum Rezirkulierenlassen von Strom durch den Motor notwendig, um die darin innewohnende induktive Energie umzuschalten und dadurch der Entstehung von schädigenden Spannungssprüngen vorzubeugen.
In einem Rezirkulationstakt (oder Motorausschalttakt) gemäß 4 öffnet die PWM-Steuerelektronik vorübergehend den Leistungsschalter Q1' auf AUS, indem sie entlang der Leistungssteuerleitung ein Leistungsabschaltsignal sendet, um das Schaltergatter zu deaktivieren und dadurch den Stromkreis zu unterbrechen und an den Motor angelegte Leistung zu beseitigen. Nach einem vorgegebenen Betrag an Totzeit schließt die PWM-Steuerelektronik den Rezirkulationsschalter Q2' auf EIN, indem sie über die Leistungssteuerleitung ein Rezirkulationseinschaltsignal sendet, um das Schaltergatter derart zu aktivieren, dass der Rezirkulationsschalter Q2' leitet, und mithin die induktive Energie in dem Motor von der negativen Motorklemme zu der positiven Motorklemme zurück schaltet.
Der Stromkreis gemäß 4 wirkt auch in einem Leitungstakt (oder Motoreinschalttakt), bei welchem die PWM-Steuerelektronik den Leistungsschalter Q1' vorübergehend auf "EIN" schließt, indem sie über die Leistungssteuerleitung ein Leistungseinschaltsignal sendet, um das Schaltergatter zu aktivieren, damit Leistung von der Batterie oder Leistungsversorgung durch den Motor hindurch und zu der Erdungsklemme fließen kann. Gleichzeitig oder direkt vor der Aktivierung des Leistungsschalters Q1' mit geeigneter Totzeit öffnet die PWM-Steuerelektronik den Rezirkulationsschalter Q2' vorübergehend auf "AUS", indem sie über die Rezirkulationssteuerleitung ein Rezirkulationsausschaltsignal sendete, um das Schaltergatter derart zu deaktivieren, dass der Rezirkulationsschalter nicht leitet und mithin den Motor nicht überbrückt. Mit anderen Worten, die MOSFETs Q1', Q2' werden derart miteinander synchronisiert, dass sie beide nicht gleichzeitig geschlossen werden können und damit vermieden wird, dass die MOSFETs Q1', Q2' beschädigt werden.
Die hochspannungsseitige Konfiguration wird bevorzugt, um noch höhere EMV-Leistung als die niederspannungsseitige Konfiguration zu erbringen. Bei der hochspannungsseitigen und der niederspannungsseitigen Konfiguration ist die negative Zuleitung des Motors auf einer entsprechenden Leiterplatte mit Erde und mit einem elektrisch leitenden Behältnis oder Gehäuse der Kraftstoffpumpe verbunden. Bei der niederspannungsseitigen Konfiguration gemäß 2 und 3 pendelt die negative Klemme des Motors zwischen Erde während des Leitungstaktes und der Spannungsquelle während des Rezirkulationstaktes. Die zyklische Änderung des Potenzials wirkt sich oft negativ auf die EMV-Leistung auf. Bei der hochspannungsseitigen Konfiguration jedoch ist die negative Zuleitung des Motors kontinuierlich – nicht zyklisch – mit Erde verbunden. Deshalb ist das Pumpengehäuse bei der hochspannungsseitigen Konfiguration im Raum aufgehängt, besitzt jedoch ein kontinuierlich geerdetes Potenzial und verbessert dadurch die EMV-Leistung.
Vorteilhafterweise und im Vergleich zu der Rezirkulationsdiode nach dem Stand der Technik sind die Rezirkulationsschalter Q2/Q2' effektiver, und durch sie wird weniger Leistung als Wärmeverlust vergeudet. MOSFET-Verluste sind durch Gs-Drain-Source-Widerstandsverluste (d.h. I²-Verluste) und Schaltverluste gekennzeichnet. Wenn man beide Topologien betrachtet, nimmt man an, das die Schaltzeiten und mithin die Schaltverluste für vergleichbare dv/dt- und EMV-Leistung ähnlich gestaltet werden und daher in der folgenden Leistungsabführberechnung des Rezirkulations-MOSFET nicht enthalten sind: Psr = (Imotor)2 × RDS(on) × toff/ton + toff),wobei
P_sr = Leistungsabführung des Synchrongleichrichters
MOSFET
I_motor = Rezirkulierender Motorstrom
R_DS(on) = Drain-Source-Widerstand des MOSFET
T_off = Ausschalt-Zeit der Antriebsstufe
T_on = Einschalt-Zeit der Antriebsstufe
Wenn ein Motor 10 A entnimmt, ein typischer Drain-Source-Widerstand 0,01 Ohm beträgt und eine PWM-Steuereinheit einen Arbeitstakt von 50% bei einer Schaltfrequenz von 50 μs aufweist, dann gilt mithin Psr = (10 A)2 × 0,01 Ohm × 25 μs/(25 μs + 25 μs) = 0,5 Watt.
Im Vergleich zu der Topologie der Rezirkulationsdiode ist die Effektivität des Systems höher, und weniger Energie geht als Wärme verloren. Bei einer Leistungseingabe von 100 Watt erbringt das MOSFET einen Abfall der Effektivität von 0,5%. Das setzt sich in eine nahezu zehnfache Verminderung der DC-Leistungsabführung gegenüber dem Stand der Technik um, wodurch die Gelegenheit für langsame Schaltgeschwindigkeiten der MOSFETs zwecks verbesserter EMV geschaffen wird.
Ein Hauptvorteil der Synchrongleichrichtkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, Verbesserungen an der EMV durch Verminderung der Schaltgeschwindigkeit vorzunehmen und dabei einen beherrschbaren Wärmeabführungsgrad ohne wesentlichen Bedarf an Wärmeabführung aufrechtzuerhalten. Bei Kraftstoffpumpen mit verhältnismäßig niedriger und mittlerer Leistungsentnahme braucht wenig oder keine Wärmeabführung erforderlich zu sein. In manchen Fällen sorgt Einbettmasse, welche zum Abdichten eines inneren Volumens der Pumpenelektronikpackung gegen die Infiltration von Wasser verwendet wird, für ausreichende Wärmeverteilung, um eine Wärmeabführung auszuschließen. Jedoch kann bei Pumpenanwendungen mit verhältnismäßig höherem Leistungsverbrauch, beispielsweise denen im Bereich von 80 bis 100 Watt, eine minimale Wärmeabführung erforderlich sein. In jedem Fall brauchen mit der vorliegenden synchronen Gleichrichtkonstruktion keine Kühlkörperrippen zum Kühlen der Steuereinheit vorgesehen zu werden, wodurch eine kleinere Steuereinheitpackung ermöglicht wird. Durch Synchrongleichrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Bedarf an Wärmeabführung gelindert oder beseitigt, und dadurch werden Packungen erbracht, welche ein kleineres Volumen einnehmen können und dadurch die Gesamtkosten des Produkts senken.
Schließlich schafft die vorliegende Erfindung viele Vorteile. Erstens wird die EMV-Leistung verbessert, da die PWM-MOSFET-Schaltgeschwindigkeit auf einige Zehntel Volt pro Mikrosekunde oder weniger vermindert werden kann, was eine mehr als zehnfache Verbesserung gegenüber herkömmlichen, hart geschalteten Konstruktionen darstellt. Zweitens sind Zunahmen der MOSFET-Wärmeabführung auf Grund von Abnahmen der Schaltgeschwindigkeit verhältnismäßig vernachlässigbar und lassen sich leicht durch minimale Wärmeabführung auffangen. Durch Beseitigen der Rezirkulationsdiode und begleitender hoher Wärmeabführung nach dem Stand der Technik lassen sich außerdem ein Kühlkörper beseitigen und/oder das Volumen der Einbettmasse und der Packungsgröße verkleinern, wodurch Gewicht und Kosten abnehmen. Drittens werden mit der vorliegenden Erfindung, welche eine kleinere Elektronikpackung erbringt, mehr Optionen verfügbar, um die Packung in kleineren Räumen eines Fahrzeugs, beispielsweise bei bestimmten Pumpenanwendungen, in einem Gehäuse einer kombinierten Motor-/Pumpen-Einheit, unterzubringen. Zum Schluss wird ein effektiveres System bereitgestellt, da verhältnismäßig mehr Energie zu dem Motor zurück ziekuliert und als mechanische Energie ausgegeben wird, anstatt als Wärme vergeudet zu werden. Mit anderen Worten, mit der vorliegenden Erfindung wird ein mit DC-Motor versehenes Kraftstoffpumpensystem bereitgestellt, welches kleiner, effektiver, elektromagnetisch besser verträglich und weniger teuer als Konstruktionen nach dem Stand der Technik ist.
Zwar stellen die Formen der hier offenbarten Erfindung eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform dar, jedoch sind viele andere möglich. Es sollen hier nicht sämtliche mögliche äquivalente Formen oder Zweigformen der Erfindung genannt werden. Es versteht sich, dass die hier verwendeten Begriffe lediglich beschreibend und nicht einschränkend sind, und dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie diese durch die folgenden Ansprüche definiert sind.

Claims

Steuereinheit, die mit einem Motor einer Kraftstoffpumpe elektrisch verbunden ist, um dessen Drehzahl zu variieren, wodurch die Kraftstoffpumpe Kraftstoff mit einer variablen Geschwindigkeit zu einem Verbrennungsmotor fördern kann, mit: einem ersten Schalter, der mit dem Motor in Reihe geschaltet ist und ein Steuerelement aufweist; einem zweiten Schalter, der parallel zu dem Motor geschaltet ist und ein Steuerelement aufweist, Steuerelektronik, die mit den Steuerelementen des ersten und des zweiten Schalters verbunden ist und in einem Motorausschalttakt betätigbar ist, um den ersten Schalter zwecks Ausschaltens des Motors zu deaktivieren und den zweiten Schalter zum Umschalten des Motors zu aktivieren, und außerdem in einem Motoreinschalttakt betätigbar ist, um den zweiten Schalter zu deaktivieren und den ersten Schalter zwecks Einschaltens des Motors zu aktivieren.
Kraftstoffpumpensystem zum Liefern von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zu einer Brennkraftmaschine, mit: einer Kraftstoffpumpe mit mindestens einem von einem dynamischen Pumpelement oder einem Verdrängerpumpelement zum Pumpen des Kraftstoffs; einem Gleichstrommotor zum Antreiben des mindestens einen von dem dynamischen Pumpelement oder dem Verdrängerpumpelement zum Fördern des Kraftstoffs mit einer variablen Geschwindigkeit zu dem Motor; einer impulsbreitenmodulierten Steuereinheit, die zwecks Variierens der Drehzahl des Gleichstrommotors mit dem Gleichstrommotor in elektrischer Verbindung steht, wodurch die Kraftstoffpumpe den Kraftstoff mit der variablen Geschwindigkeit zu dem Motor fördern kann; wobei die Steuereinheit Folgendes umfasst: einen ersten Schalter, der mit dem Gleichstrommotor in Reihe geschaltet ist und dessen Steuerelement mit einer Leistungssteuerleitung verbunden ist; einem zweiten Schalter, der zu dem Gleichstrommotor parallel geschaltet ist und dessen Steuerelement mit einer Rezirkulationssteuerleitung verbunden ist; und Steuerelektronik, die zwecks Erzeugens eines Stromausschaltsteuersignals mit der Leistungssteuerleitung zum Abschalten des ersten Schalters auf Aus in einem Motorausschalttakt und auch zwecks Erzeugens eines Leistungseinschaltsteuersignals zum Schalten des ersten Schalters auf Ein in einem Motoreinschalttakt zum Antreiben des Gleichstrommotors verbunden ist, wobei die Steuerelektronik auch mit der Rezirkulationssteuerleitung verbunden ist, um ein Rezirkulationseinschaltsteuersignalsignal zu erzeugen, um den zweiten Schalter in dem Motorausschalttakt auf Ein zu schalten, um den Gleichstrommotor umzuschalten, und auch zum Erzeugen eines Rezirkulationsabschaltsteuersignals, um den zweiten Schalter in dem Motoreinschalttakt auf Aus zu schalten.
Kraftstoffpumpensystem nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit zwecks Erhalts von Steuereingangsinformationen mit einem elektronischen Motorsteuermodul in Verbindung steht.
Kraftstoffpumpensystem nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit nicht mit einem elektronischen Motorsteuermodul in Verbindung steht.
Kraftstoffpumpensystem nach Anspruch 2, wobei der erste Schalter auf einer Hochspannungsseite des Gleichstrommotors positioniert ist.
Kraftstoffpumpensystem nach Anspruch 2, wobei der erste Schalter auf einer Niederspannungsseite des Gleichstrommotors positioniert ist.
Kraftstoffpumpensystem nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit mit einem Kraftstoffdruckgeber in elektrischer Verbindung steht.
Kraftstoffpumpensystem nach Anspruch 7, wobei der Kraftstoffdruckgeber mit der Kraftstoffpumpe in Fluidverbindung steht.
Kraftstoffpumpensystem nach Anspruch 7, wobei der Kraftstoffdruckgeber mit einem Teil des Motors in Fluidverbindung steht.
Kraftstoffpumpensystem nach Anspruch 2, wobei zum Kühlen der Steuereinheit keine Kühlkörperrippen notwendig sind.
Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Motors einer Kraftstoffpumpe zwecks Variierens der Drehzahl desselben, wodurch die Kraftstoffpumpe Kraftstoff mit einer variablen Geschwindigkeit zu einem Verbrennungsmotor fördern kann, mit den folgenden Schritten: Vorsehen eines ersten Schalters in Reihe mit dem Motor; Vorsehen eines zweiten Schalter parallel zum Motor; in einem Motorausschalttakt Deaktivieren des ersten Schalters zwecks Ausschaltens des Motors und Aktivieren des zweiten Schalters zum Umschalten des Motors; und in einem Motoreinschalttakt Deaktivieren des zweiten Schalters und Aktivieren des ersten Schalters zum Einschalten des Motors.