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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers,
der an einem Eingang elektrische Leistung aufnimmt und an einem
Ausgang eine Gleichspannung bereitstellt, insbesondere zum Aufladen
eines Pufferkondensators.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen entsprechenden Gleichspannungswandler
sowie ein Computerprogramm.
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Herkömmliche
Gleichspannungswandler werden i.a. anhand ihrer Nennleistung sowie
weiterer feststehender Kenndaten wie z.B. ihrer Eingangsspannung,
ihrer Ausgangsspannung und ihres Betriebstemperaturbereichs für entsprechende
Anwendungsbereiche ausgesucht und eingesetzt. Dementsprechend ist
eine Anpassung im Betrieb befindlicher herkömmlicher Gleichspannungswandler
an sich ändernde
Anforderungen nicht beziehungsweise nur durch einen Austausch gegen
einen weiteren Gleichspannungswandler mit anderen Kenndaten möglich. Dies
führt häufig dazu,
dass in einem System integrierte Gleichspannungswandler entweder
zumindest zeitweise außerhalb
ihrer Spezifikationen oder zumindest nicht in einem solchen Betriebsbereich betrieben
werden, in dem sie einen optimalen Wirkungsgrad aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren der eingangs
genannten Art sowie einen entsprechenden Gleichspannungswandler
dahingehend zu verbessern, dass ein flexiblerer und gleichzeitig
sichererer Betrieb möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Betriebsverfahren der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass eine die in dem Gleichspannungswandler umgesetzte elektrische
Leistung charakterisierende Größe erfasst
wird, und dass hieraus auf einen Betriebszustand des Gleichspannungswandlers
geschlossen wird.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Die
erfindungsgemäße Erfassung
einer die in dem Gleichspannungswandler umgesetzte elektrische Leistung
charakterisierenden Größe ermöglicht eine
Beurteilung während
des Betriebs des Gleichspannungswandlers z.B. dahingehend, ob der Gleichspannungswandler
innerhalb seiner Spezifikationen betrieben wird beziehungsweise
wie groß die tatsächliche
elektrische Beanspruchung des Gleichspannungswandlers beziehungsweise
seiner Komponenten ist. Dadurch können vorteilhaft insbesondere Überlastzustände und
solche Betriebszustände identifiziert
werden, bei denen der Gleichspannungswandler einen verhältnismäßig geringen
Wirkungsgrad aufweist.
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Insbesondere
ist es bei der Erkennung eines außerhalb der Spezifikationen
liegenden Betriebszustands auch möglich, frühzeitig eine Deaktivierung des
Gleichspannungswandlers herbeizuführen, so dass eine Zerstörung des
Gleichspannungswandlers beziehungsweise mit dem Gleichspannungswandler verbundener
Komponenten beziehungsweise Bauteile vermieden wird. Aufgrund der
erfindungsgemäß erhaltenen
Informationen ist andererseits auch eine kontrollierte zeitweise Überbeanspruchung
des Gleichspannungswandlers möglich,
beispielsweise um einen zu versorgenden Pufferkondensator möglichst
schnell aufzuladen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung
beziehungsweise in der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
Betriebsvorrichtung für
mindestens ein piezoelektrisches Element, die eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers
aufweist,
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2 eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers,
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3 eine
dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers,
und
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4 ein
vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung 100 für mindestens
ein piezoelektrisches Element 30, das in einem nicht weiter
dargestellten Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine
dazu vorgesehen ist, ein Kraftstoffeinspritzventil zu betätigen, um
entsprechende Kraftstoffeinspritzungen in einen Brennraum eines
Zylinders der Brennkraftmaschine zu bewirken.
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Zur
Versorgung des piezoelektrischen Elements 30 mit einer
elektrischen Spannung ist in der erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung 100 ein
Pufferkondensator C vorgesehen, der an einen Ausgang 10b des
erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 10 angeschlossen
ist und von diesem auf eine Nennspannung U aufgeladen wird. Das
Auf- bzw. Entladen des piezoelektrischen Elements 30 erfolgt
in an sich bekannter Weise über
die in 1 abgebildeten Schalter sowie die Dioden und die
mit den Dioden verbundene Induktivität und ist nicht näher beschrieben.
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Eingangsseitig
wird der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler 10 mit
elektrischer Leistung versorgt, die ihm wie vorliegend in 1 dargestellt, über eine
mit seinem Eingang 10a verbundene Gleichspannungsquelle
zugeführt
wird. Bei der Gleichspannungsquelle kann es sich beispielsweise um
eine Batterie eines Kraftfahrzeugs handeln, das die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung 100 aufweist.
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Der
Betrieb des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 10 wird
vorteilhaft durch dieselbe Steuereinrichtung 20 gesteuert,
die auch das piezoelektrische Element 30 steuert. Hierzu
erfasst die Steuereinrichtung 20 mittels des Pfeils 22 symbolisierte
Betriebsgrößen des
Gleichspannungswandlers 10 beziehungsweise der restlichen
Betriebsvorrichtung 100. Entsprechende Ansteuervorgänge können von
der Steuereinrichtung 20 mittels von dieser ausgegebenen
Ansteuersignalen vorgenommen werden, die in 1 durch
den Pfeil 21 symbolisiert sind.
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Der
Gleichspannungswandler 10 weist erfindungsgemäß vorteilhaft
einen Signalausgang 10c auf, der zur Ausgabe einer die
in dem Gleichspannungswandler 10 umgesetzte elektrische
Leistung charakterisierenden Größe dient.
Das an diesem Signalausgang 10c entsprechend anliegende
Signal, das die charakterisierende Größe repräsentiert, ist der Steuereinheit 20 zugeführt und
wird von dieser ausgewertet.
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Erfindungsgemäß überwacht
die Steuereinheit 20 die charakterisierende Größe insbesondere auf
das Überschreiten
eines vorgebbaren Schwellwerts. In diesem Fall kann die Steuereinheit 20 den Gleichspannungswandler 10 vorteilhaft
kontrolliert deaktivieren, bevor er beispielsweise auf Grund einer thermischen Überlastung
zerstört
wird.
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Ferner
kann die Steuereinheit 20 aus der charakterisierenden Größe vorteilhaft
darauf schließen,
in welchem Betriebsbereich bzw. Ausnutzungsgrad sich der Gleichspannungswandler 10 momentan
befindet. Sofern der Gleichspannungswandler 10 sich beispielsweise
momentan in einem Betriebsbereich befindet, der durch einen besonders geringen Wirkungsgrad
gekennzeichnet ist, kann die Steuereinheit 20 entsprechende
Ansteuergrößen 21 für den Gleichspannungswandler 10 derart ändern bzw.
einstellen, dass der Gleichspannungswandler 10 fortan in
einem Betriebsbereich mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben
wird.
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Eine
erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist durch das Flussdiagramm aus 4 veranschaulicht.
In einem ersten Schritt 200 erfasst die Steuereinheit 20 die
charakterisierende Größe, und
in einem nachfolgenden Schritt 210 schließt die Steuereinheit 20 aus
der charakterisierenden Größe auf einen
Betriebszustand des Gleichspannungswandlers 10.
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Bei
einer besonders einfachen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist der Gleichspannugswandler 10 zwei
Betriebsarten auf. Die erste Betriebsart ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Gleichspannungswandler 10 im Wesentlichen keine elektrische
Leistung umsetzt und an seinem Ausgang 10b bereitstellt.
Das heißt,
in der ersten Betriebsart lädt
der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler 10 den
Pufferkondensator C (1) nicht. Die zweite Betriebsart
des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 10 ist
dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler 10 elektrische
Leistung umsetzt und an seinem Ausgang l0b bereitstellt,
um den Pufferkondensator C aufzuladen.
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Der
Wechsel zwischen den beiden Betriebsarten kann beispielsweise durch
einen in den Gleichspannungswandler 10 integrierten Regler
gesteuert werden, der z.B. die momentane Ausgangsspannung erfasst
und so ausgelegt ist, dass der Gleichspannungswandler 10 immer
dann aktiviert, d.h. in seine zweite Betriebsart versetzt, wird,
wenn die momentane Ausgangsspannung einen vorgebbaren Sollwert um
eine vorgebbare Spannungsdifferenz unterschreitet. Dementsprechend
kann von der zweiten in die erste Betriebsart gewechselt werden,
sobald die momentane Ausgangsspannung den entsprechende Sollwert – ggf. ebenfalls
um eine entsprechende Spannungsdifferenz – überschreitet.
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Es
ist offensichtlich, dass bei einem derartigen Betrieb des Gleichspannungswandlers 10 je nach
Entladung des Pufferkondensators C durch das piezoelektrische Element 30 eine
unterschiedliche elektrische Leistung in dem Gleichspannungswandler 10 umzusetzen
ist. Falls das piezoelektrische Element 30 nur verhältnismäßig selten
angesteuert wird, muss auch der Pufferkondensator C nur selten aufgeladen
werden, was insgesamt eine geringe elektrische Leistung des Gleichspannungswandlers 10 erfordert.
Andernfalls, d.h. wenn das piezoelektrische Element 30 verhältnismäßig häufig angesteuert
wird, oder wenn sogar mehrere Verbraucher aus dem Pufferkondensator
C versorgt werden, muss der Pufferkondensator C entsprechend häufig wieder
aufgeladen werden, was insgesamt eine größere elektrische Leistung des
Gleichspannungswandlers 10 bedingt.
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Daher
gibt der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler 10 vorteilhaft
an dem Signalausgang 10c ein Logiksignal aus, dessen Wert
der momentanen Betriebsart des Gleichspannungswandlers 10 entspricht.
Das heißt,
in dieser Konfiguration kann z.B. die Steuereinheit 20 durch
Auswertung des an dem Signalausgang 10c zur Verfügung stehenden charakterisierenden
Signals feststellen, ob der Gleichspannungswandler 10 aktiviert
ist und elektrische Leistung umsetzt, oder ob er deaktiviert ist
bzw. zumindest keine wesentliche elektrische Leistung umsetzt. D.h.,
die momentane Auslastung des Gleichspannungswandlers 10 kann überwacht
werden. Damit ist es vorteilhaft möglich, Überlastzustände zu erkennen. Ebenso kann
beispielsweise eine unbeabsichtigte permanente Deaktivierung erkannt werden.
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Die
Steuereinheit 20 kann das an dem Signalausgang 10c anliegende
charakterisierende Signal entweder direkt über einen digitalen Eingang
eines ihr zugeordneten Mikrocontrollers (nicht gezeigt) oder dergleichen
auswerten. Alternativ hierzu kann der Gleichspannungswandler 10 auch
ein analoges Filter aufweisen, das vorliegend beispielsweise als Tiefpassfilter
ausgebildet ist, vergleiche 2. Bei dieser
Konfiguration wird das an dem Signalausgang 10c zur Verfügung stehende
Logiksignal umgewandelt in ein Analogsignal, das in der Steuereinheit 20 entsprechend über einen
Analogeingang eines darin vorgesehenen Mikrocontrollers oder dergleichen auswertbar
ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 10 ist
in 3 angegeben.
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Bei
dieser Erfindungsvariante gibt der Gleichspannungswandler 10 als
charakterisierende Größe an seinem
Signalausgang 10c wiederum ein Logiksignal aus, das angibt,
ob der Gleichspannungswandler 10 momentan aktiviert beziehungsweise
deaktiviert ist. Das Logiksignal ist erfindungsgemäß einem
rücksetzbaren
Binärzähler 11 zugeführt, der
auf diese Weise diejenige Anzahl der Perioden zählen kann, innerhalb deren
der Gleichspannungswandler 10 aktiviert ist.
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Eine
derartige Form der Auswertung der von dem Gleichspannungswandler 10 umgesetzten
Leistung bietet sich insbesondere dann an, wenn der Gleichspannungswandler 10 mit
einer festen Taktfrequenz betrieben wird, wobei im Falle einer Aktivierung
des Gleichspannungswandlers 10 innerhalb einer der Taktfrequenz
entsprechenden Taktzeit eine vorgebbare elektrische Energiemenge
an dem Ausgang 10b (1) verfügbar gemacht
wird. Aufgrund der festen Taktzeit entspricht hierbei die von dem
Binärzähler 11 feststellbare
Anzahl von Aktivierungsvorgängen
des Gleichspannungswandlers 10 einer über den betrachteten Zeitraum
hinweg addierten Energiemenge, die in dem Gleichspannungswandler 10 umgesetzt
worden ist. Ein entsprechender Beobachtungszeitraum kann entweder
durch die Steuereinheit 20 vorgegeben sein oder durch ein
aus der Taktfrequenz des Gleichspannungswandlers 10 abgeleitetes
sekundäres
Taktsignal vorgegeben werden, dessen Taktzeit z.B. ein ganzzahliges
Vielfaches der Taktzeit des Gleichspannungswandlers 10 ist.
Nach Ablauf des vorgegebenen Beobachtungszeitraums kann die Steuereinheit 20 den
Binärzähler 11 über die
in 3 abgebildete Steuerleitung zurücksetzen,
so dass ein erneuter Zählzyklus
durchführbar
ist.
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Ein
von dem Binärzähler 11 festgestellter Zählwert wird
in der Steuereinheit 20 direkt auf den Beobachtungszeitraum
bezogen, so dass das hieraus erhaltene Verhältnis ein Maß für die in
dem Gleichspannungswandler 10 umgesetzte elektrische Energie
bzw. die Leistung angibt.
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Die
Funktionalität
des Binärzählers 11 kann erfindungsgemäß auch direkt
in dem Mikrocontroller bzw. einer sonstigen Recheneinheit der Steuereinheit 20 integriert
sein, ebenso wie die Mittel zur Festlegung des Beobachtungs- bzw.
Zählzeitraums.
Herkömmliche
Timer- bzw. Counter-Komponenten
gängiger
Mikrocontroller können
hierzu verwendet werden.
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Der
Gleichspannungswandler 10 kann auch selbst mit den vorstehend
beschriebenen Komponenten ausgestattet sein und aus dem an seinem
Signalausgang 10c bereitstehenden Logiksignal z.B. selber
eine Größe bilden,
die ein Maß für die von
ihm umgesetzte Leistung, z.B. für
die Momentanleistung, darstellt. In diesem Fall kann ferner eine
Schnittstelle wie beispielsweise eine SPI (serial peripheral interface)-Schnittstelle
vorgesehen sein, um die Größe an die
Steuereinheit 20 weiterzuleiten.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens
für den
Gleichspannungswandler 10 ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit
der das piezoelektrische Element 30 steuernden Ansteuersignale 21 ein Schätzwert für den elektrischen
Energiebedarf des piezoelektrischen Elements 30 gebildet
wird, und dass dieser Schätzwert
verglichen wird mit einem Istwert für den Energiebedarf des piezoelektrischen Elements 30,
der erfindungsgemäß in Abhängigkeit der
charakterisierenden Größe, d.h.
in Abhängigkeit der
in dem Gleichspannungswandler 10 umgesetzten Leistung,
gebildet wird.
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Eine
gegebenenfalls zwischen dem Schätzwert
und dem Istwert auftretende Differenz kann beispielsweise auf einen
Defekt des piezoelektrischen Elements 30 oder auf alterungsbedingte
Veränderungen
seiner Betriebseigenschaften hindeuten oder auch auf entsprechende Änderungen
in dem Gleichspannungswandler 10.
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Sehr
vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren auch
die Möglichkeit
gegeben, den Gleichspannungswandler 10 in Abhängigkeit
der charakterisierenden Größe zu regeln.
Insbesondere kann durch gezieltes Aktivieren/Deaktivieren des Gleichspannungswandlers 10 beziehungsweise
durch ein Einstellen der in dem Gleichspannungswandler umgesetzten
elektrischen Leistung Einfluss genommen werden auf die Umwandlung
von elektrischer Energie in dem Gleichspannungswandler 10.
Dadurch ist es beispielsweise möglich,
den Gleichspannungswandler vor einer drohenden thermischen Zerstörung zu
deaktivieren bzw. zur Realisierung eines Notlaufs mit geringerer
Leistung weiterzubetreiben. Ferner ist dadurch besonders vorteilhaft
die Möglichkeit
gegeben, durch eine entsprechende Änderung der Ansteuerparameter
für den Gleichspannungswandler 10 dessen
Wirkungsgrad zu verbessern.
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Beispielsweise
kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Gleichspannungswandler 10 allein
die beiden bereits beschriebenen Betriebsarten (aktiviert, deaktiviert)
aufweist, wobei insbesondere bei der aktivierten Betriebsart ein
maximal möglicher
Energieumsatz von dem Eingang 10a an den Ausgang 10b des
Gleichspannungswandlers 10 erfolgt. Hierdurch ist sichergestellt,
dass die zur Versorgung der piezoelektrischen Elements 30 vorgesehene
Pufferkapazität
C stets schnellstmöglich
wieder auf ihre Nennspannung U aufgeladen wird. Da sich bei einer derartigen
binären
Ansteuerung des Gleichspannungswandlers 10 jedoch nicht
der optimale Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers 10 erreichen
lässt,
kann vorteilhaft auch vorgesehen sein, neben der reinen Deaktivierung
und Aktivierung des Gleichspannungswandlers 10 eine oder
mehrere weitere Ansteuerbetriebsarten einzuführen, bei denen der Gleichspannungswandler 10 beispielsweise mittels
einer Pulsweitenmodulation derart ansteuert wird, dass er auch eine
geringere als die maximal mögliche
elektrische Energiemenge je Zeiteinheit an seinem Ausgang 10b bereitstellt.
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Dadurch
wird vorteilhaft z.B. ein Effektivwert des von dem Gleichspannungswandler 10 an
seinem Ausgang 10b in den Pufferkondensator C fließenden Ausgangsstroms
verringert, was entsprechende ohmsche Verluste in den Zuleitungen
vermindert. Ebenso wird der Eingang mit einem geringeren Effektivwert
belastet; dies verringert auch hier Verluste und wirkt sich positiv
auf die Lebensdauer der Bauteile aus.
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Da
in der Steuereinheit 20 unter anderem auch die Ansteuersignale
für das
piezoelektrische Element 30 verarbeitet werden und demnach
bekannt sind, ist es ferner sehr vorteilhaft möglich, basierend auf diesen
Ansteuersignalen einen Sollwert für die zukünftig von dem Gleichspannungswandler 10 umzusetzende
Leistung abzuleiten und durch entsprechende Ansteuerung des Gleichstromwandlers 10 einzustellen.
Damit ist gewährleistet,
dass der Gleichspannungswandler 10 jeweils nur mit der
minimal erforderlichen Leistung betrieben wird.
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Sehr
vorteilhaft ist es ferner möglich,
dass der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler 10 in
Abhängigkeit
von Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine geregelt wird. Beispielsweise kann aufgrund eines
Fahrerwunschmoments oder anderer Betriebsgrößen wie beispielsweise einer
Drehzahländerung
oder einer das Übergehen
in einen Schubbetrieb anzeigenden Größe und dergleichen auf eine elektrische
Energiemenge geschlossen werden, die das piezoelektrische Element 30 im
Rahmen seiner Ansteuerung durch die Steuereinheit 20 zukünftig aufnehmen
wird, und die dementsprechend auch durch den Gleichspannungswandler 10 bereitzustellen
ist. Unter Kenntnis dieser Größen kann
der Gleichspannungswandler 10 somit frühzeitig entsprechend angesteuert
werden, um den Pufferkondensator U ausreichend aufzuladen.
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Insbesondere
ist es durch die beschriebene Auswertung von weiteren Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine möglich,
eine genauere Einstellung des Gleichspannungswandlers 10 auf einen
Betriebspunkt vorzunehmen, bei dem eine ausreichende elektrische
Energiemenge an dem Ausgang 10b bereitsteht, bei dem jedoch
nicht bereits die maximale Leistung des Gleichspannungswandlers 10 erforderlich
ist.
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Obwohl
der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler 10 vorstehend
anhand einer Anwendung in einer Betriebsvorrichtung 100 für das piezoelektrische
Element 30 beschrieben worden ist, kann der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler 10 universell
eingesetzt werden, insbesondere auch in Anwendungen außerhalb
des Kraftfahrzeugsbereichs.
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Die
zur Auswertung der charakterisierenden Größe erforderlichen Komponenten
können
in dem Gleichspannungswandler 10 vorgesehen sein oder in einem
zur Auswertung bzw. Ansteuerung verwendeten Mikrocontroller bzw.
Steuergerät.
Sehr vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler 10 auch
auf einem ASIC (application specific integrated circuit, anwendungsspezifische
integrierte Schaltung) vorgesehen sein, z.B. zusammen mit weiteren
Komponenten der erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung 100.
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Durch
die erfindungsgemäß ermöglichte Überwachung
der Leistung des Gleichspannungswandlers 10 kann der Gleichspannungswandler 10 zumindest
temporär
auch gezielt überlastet
werden, beispielsweise um den Pufferkondensator C besonders schnell
aufzuladen.