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Die Erfindung betrifft eine Lüfteranordnung mit erhöhter Verfügbarkeit, wie sie vorzugsweise zur unterstützenden Kühlung von Verbrennungskraftmaschinen, vorzugsweise in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen kann, sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb.
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Stand der Technik
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Es ist allgemein üblich, für Kühlgebläse an Verbrennungskraftmaschinen Elektroantriebe einzusetzen. Diese Elektroantriebe werden in der Regel über Motorsteuermodule (FCM oder Fan-Control-Modul) betrieben. Eine veränderliche pulsweitenmodulierte Spannung (PWM) mit einem variablen Tastverhältnis (TV) wird benutzt, um die effektiv an einem als Gleichstrommotor ausgebildeten Elektroantrieb anliegende Spannung zu verändern, so dass die Drehzahl des elektrischen Antriebes auf diese Weise beeinflusst werden kann.
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Es ist bekannt, die Motorsteuermodule auf der Basis von Leistungshalbleitern aufzubauen. Diese Leistungshalbleiter und weitere zu ihrem Betrieb erforderliche Bauelemente weisen eine Verlustleistung auf, die von dem Takt einer anliegenden Spannung bzw. dem Tastverhältnis sowie der Höhe der anliegenden Spannung abhängt. Aus diesem Grunde ist es üblich, die Temperatur der Platine, auf der sich die genannten Bauelemente befinden, zu überwachen und Maßnahmen zu treffen, um eine kritische Erwärmung der Platine und der darauf befindlichen Bauelemente zu vermeiden. Dazu werden üblicherweise Temperaturfühler eingesetzt. Es ist bekannt, als Temperaturfühler Bauelemente einzusetzen, die einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen, sogenannte NTC-Elemente (negative temperature coefficient).
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Zu den Maßnahmen, die der Vermeidung von kritischen Temperaturen im Bereich der Platine eines Motorsteuermoduls dienen, gehört bekanntermaßen die Überwachung der Platinentemperatur und ein Abschalten des Antriebes des Lüftergebläses, wenn eine kritische Temperatur überschritten wird. Dadurch entsteht zwischen dem Temperaturfühler und den Leistungsbauelementen auf der Platine eine thermische Kopplung, die dazu führt, dass bei Erreichen kritischer Temperaturen beispielsweise der Antrieb eines Gebläses für eine weitere unterstützende Kühlung des Kühlkreislaufes einer Verbrennungskraftmaschine nicht mehr zur Verfügung steht.
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Es ist im Zusammmenhang mit Gebläsesystemen weiterhin bekannt, die in Motorsteuermodulen verwendeten Leistungshalbleiter bzw. die zu ihrem Betrieb erforderlichen weiteren elektronischen Bauelemente so anzusteuern, dass Arbeitspunkte vermieden werden, die erwiesenermaßen mit einer maximalen Verlustleistung am betreffenden Bauelement verbunden sind. Beispielsweise weisen verschiedene als Schalter benutzte Halbleiterbauelemente auf Transistorbasis eine starke Abhängigkeit der Verlustleistung von einem anliegenden Tastverhältnis der Steuerspannung auf, was dazu führt, dass bei typischen Schaltfrequenzen die zum Betrieb von Lüftermotoren erforderlich sind, die Verlustleistung an derartigen Halbleiterbauelementen maximal wird, wenn das Tastverhältnis bei etwa 99% des maximal anforderbaren Tastverhältnisses, also knapp unterhalb des Dauerbetriebes, liegt. Parallel zu den Leistungshalbleiterbauelementen geschaltete Kondensatoren zeigen häufig eine grundsätzlich andere Abhängigkeit der Verlustleistung vom Tastverhältnis, mit dem das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement angesteuert wird. Diese Kondensatoren zeigen häufig eine maximale Verlustleistung bei einem Tastverhältnis von etwa 80% des maximal anforderbaren Tastverhältnisses. Das Verhalten dieser Bauelemente wird in der Ansteuerung der Leistungsschalter in Kombination mit einer Überwachung der Platinentemperatur berücksichtigt. Bei Erreichen der Platinentemperatur, die als kritisch klassifiziert wird, erfolgt die Festsetzung eines Tastverhältnisses auf einen konstanten Wert, der sichert, dass die kritischen Tastverhältnisse mit erhöhter Verlustleistung an den jeweiligen Bauelementen vermieden werden, bis die Platinentemperatur möglicherweise wieder unkritische Werte erreicht hat. Erst wenn diese Maßnahme nicht von Erfolg gekrönt ist, erfolgt wie in herkömmlichen Motorsteuermodulen die völlige Abschaltung des Gebläses, bis die Platine wieder Temperaturbereiche erreicht hat, in denen die Leistungselektronik betriebsbereit ist. Die Festsetzung eines konstanten Tastverhältnisses führt dazu, dass die Verfügbarkeit des Gebläses zunächst nicht völlig verloren geht, bewirkt jedoch, dass in einem bestimmten Temperaturfenster keine geregelte Anforderung einer Gebläseleistung mehr erfolgen kann. Bei weiterem Ansteigen der Temperatur kommt es ebenfalls zum völligen Erliegen der Verfügbarkeit des Gebläses (
EP 1383232A2 ).
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verfügbarkeit von Gebläsekühlungen bei kritischen Temperaturbedingungen gegenüber dem Stand der Technik weiter zu erhöhen.
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Technische Lösung
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Lüfteranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1, sowie einem Verfahren zum Betrieb einer derartigen Lüfteranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 4. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 4 und 5 bis 10 betreffen jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, die üblicherweise von einem Gebläse oder Lüfter abforderbare Leistung durch eine Lüfteranordnung mit zwei PWM-gesteuerten Motoren und zwei Lüftern erbringen zu lassen, die wahlweise einzeln oder parallel betrieben werden können und nach einem Regime angesteuert werden, welches verhindert, dass einer der Motoren so betrieben wird, dass an einem der verwendeten Bauelemente, die zur Steuerung der Motoren erforderlich sind, ein Tastverhältnis anliegt, das zu einer Verlustleistung führt, die in der Nähe der maximal möglichen Verlustleistung an diesem Bauelement liegt. Die zugehörige Platine ist so ausgelegt, dass geringere Verlustleistungen bei normalen Betriebsbedingungen nicht zu einer kritischen Erwärmung der Elektronik führen. In die Festlegung des Ansteuerregimes können Temperaturmesswerte sowie Prognosen des zu erwartenden Temperaturverlaufes aufgrund der Kenntnis des thermischen Verhaltens der Steuerung der Motoren, insbesondere im Bereich der Platine mit Leistungshalbleiterbauelementen, einfließen, so dass die Lüftersteuerung einen Zustand anwählt, in dem die Verlustleistung der Elektronik insgesamt sinkt, bzw. die Überlastung einzelner Elemente bei Weiterbestehen der Verfügbarkeit der Lüfteranordnung sowie einer Regelbarkeit der abgegebenen Leistung der Lüfteranordnung vermieden wird. Eine erfindungsgemäße Lüfteranordnung umfasst in einer Mindestkonfiguration ein Steuermodul zur Ansteuerung von zwei Leistungsschaltern, zwei Leistungsschalter, zwei elektrische Motoren, denen über die Leistungsschalter ihre Betriebsspannung zugeführt wird, und mindestens einen Temperaturfühler auf einer Platine, auf der sich die Leistungsschalter befinden, wobei das Steuermodul über Mittel verfügt, ein Signal des Temperaturfühlers auszuwerten und unter Berücksichtigung dieses Signals sowie einer angeforderten Lüfterleistung die Tastverhältnisse von getakteten Steuerspannungen an den Leistungsschaltern so einzustellen, dass sich an keinem Leistungsbauelement eine einen vorgegebenen Wert übersteigende Verlustleistung einstellt. Unter Leistungsbauelementen sind dabei alle zumindest zeitweise unmittelbar in den Betriebsspannungskreis der elektrischen Motoren einbezogenen Bauelemente zu verstehen, die neben transistorbasierten Schaltelementen auch Kondensatoren und/oder Freilaufdrosseln umfassen können.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Auch bei kritischen Platinentemperaturen, die sich gegebenenfalls durch ungünstige äußere Bedingungen einstellen können, besteht eine vollständige Verfügbarkeit der erfindungsgemäßen Lüfteranordnung, sowie die Möglichkeit, diese auch geregelt anzusprechen.
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Ausführungsform der Erfindung
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An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. In der einzigen Figur ist ein vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Lüfteranordnung in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Diese umfasst ein Steuermodul 1, welches verschiedene Eingangssignale auswerten und daraus Ausgangssignale in Form von zwei Steuerspannungen mit separat einstellbarem Tastverhältnis TV1, TV2 erzeugen kann. Auf einer Platine 2 befinden sich zwei Leistungsschalter 3, 4, die im Wesentlichen aus Leistungshalbleiterbauelementen auf Transistorbasis bestehen. Die vom Steuermodul 1 ausgegebenen Steuerspannungen liegen an diesen Leistungsschaltern an und schalten entsprechend ihrem jeweiligen Tastverhältnis TV1, TV2 über diese Leistungsschalter 3, 4 zwei Strompfade frei, über die zwei elektrischen Motoren 5, 6 eine Betriebsspannung zugeführt wird. Die Leistungsschalter 5, 6 umfassen außerdem mindestens einen Leistungskondensator 7 in Form eines Elektrolytkondensators in Parallelschaltung, der während der Schaltvorgänge zur Stabilisierung der Bordspannung beiträgt.
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Der erste Motor 5 weist gegenüber dem zweiten Motor 6 eine um etwa 20% höhere Nennleistung auf.
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Eingangssignale, die vom Steuermodul 1 ausgewertet werden können, werden diesem über entsprechende Anschlussmittel zugeleitet. Ein erstes Eingangssignal PWM liefert Informationen über eine von der Motorsteuerung des Kraftfahrzeuges angeforderte Lüfterleistung und liegt als pulsweitenmoduliertes Signal an einem Eingang des Steuermoduls an. Ein zweites Eingangssignal TNTC liefert als Ausgangssignal eines auf der Platine 2 angeordneten Temperaturfühlers 8 in Form eine NTC-Elementes Informationen über die Platinentemperatur. Weitere Eingangssignale liegen an weiteren Eingängen des Steuermoduls 1 an und liefern im vorliegenden Ausführungsbeispiel Informationen über die jeweilige Bordspannung des Kraftfahrzeuges, die gleichzeitig der geschalteten Betriebsspannung UB der Motoren 5, 6 entspricht, die Umgebungstemperatur TU im Motorraum oder außerhalb des Kraftfahrzeuges sowie über die in der Schaltung anfallende Verlustleistung PV. All diese Informationen können ohne Anspruch auf Vollständigkeit in die Berechnung der Tastverhältnisse der Ausgangssignale einfließen und helfen, Betriebszustände zu vermeiden, die eine Verfügbarkeit der Lüfteranordnung beeinträchtigen könnten. In die Strompfade zur Verbindung der Motoren 5, 6 mit dem Leistungskondensator 7 sind Freilaufkreisdioden 9, 10 integriert.
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Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst nur auf die Verarbeitung der Eingangssignale PWM und TNTC eingegangen. Bei Anforderung einer geringen Lüfterleistung durch die Motorsteuerung des Kraftfahrzeuges und einer unkritischen Platinentemperatur wird das eingehende PWM-Signal in eine getaktete Steuerspannung mit einem Tastverhältnis TV1 umgesetzt, was dazu führt, dass der erste Motor 5 mit einer Drehzahl arbeitet, die es ihm ermöglicht, allein die geforderte Lüfterleistung zu erbringen. Der zweite Motor 6 bleibt in diesem Betriebszustand ausgeschaltet, was mit TV2=0 gleichzusetzen ist. Wird eine höhere Lüfterleistung angefordert, wird durch das Steuermodul 1 das Tastverhältnis TV1 erhöht und die vom ersten Motor 5 abgegebene Leistung steigt durch die Erhöhung seiner Drehzahl. Bei einem Tastverhältnis TV1 = 80% wäre ein Betriebszustand erreicht, in dem am Leistungskondensator 7 dessen maximale Verlustleistung auftritt. Durch Auswertung des Temperatursignals TNTC des Temperaturfühlers 8 wird vom Steuermodul 1 überprüft, ob dieser Betriebszustand beibehalten werden kann oder ob es zu einer kritischen Erwärmung der Platine 2 bis auf eine Grenztemperatur T1 kommt. Zeigt die Platinentemperatur unkritische Werte, kann vom Steuermodul 1 das Tastverhältnis TV1 weiter erhöht werden, um die Leistungsabgabe des ersten Motors 5 durch eine Drehzahlerhöhung weiter zu steigern. Zeigt sich am Eingangssignal TNTC, dass die Platinentemperatur die Grenztemperatur T1 erreicht hat, so wird die Leistung des ersten Motors 5 durch Verringerung von TV1 zurückgenommen und der zweite Motor 6 zusätzlich angesteuert, wodurch beide Motoren 5, 6 mit relativ geringer Leistung arbeiten und TV1 und TV2 so eingestellt sind, dass alle Leistungsbauelemente 3, 4, 7 an Arbeitspunkten betrieben werden, an denen eine Verlustleistung auftritt, die deutlich unter der an diesen Leistungsbauelementen 3, 4, 7 möglichen maximalen Verlustleistung liegt. Das Steuermodul 1 steuert die beiden Tastverhältnisse TV1 und TV2 so, dass die von den Motoren 5, 6 abgegebene Leistung in Summe der angeforderten Lüfterleistung entspricht.
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Steigt die angeforderte Lüfterleistung weiter, kann irgendwann der Zustand erreicht werden, dass sich bei einer gleichmäßigen Ansteuerung der Motoren 5, 6 und einer angeforderten Lüfterleistung von 80% jeweils ein Tastverhältnis TV1, TV2 zur Ansteuerung der Leistungsschalter 3, 4 von ebenfalls 80% ergeben würde. Wie bereits ausgeführt, weist bei einem derartigen Tastverhältnis der Kondensator 7 seine maximale Verlustleistung auf. Somit kann es im Bereich des Kondensators 7 und der gesamten Platine 2 zu einer Erhöhung der Temperatur kommen, die über den Temperaturfühler 8 an das Steuermodul 1 übermittelt wird. Bei Erreichen einer zweiten Grenztemperatur T2 erfolgt erfindungsgemäß eine Anhebung des Tastverhältnisses TV1 zur Ansteuerung des Leistungsschalters 3 auf ein modifiziertes konstantes Tastverhältnis TV1', während gleichzeitig das Tastverhältnis TV2 zur Ansteuerung des Leistungsschalters 4 in einer Weise abgesenkt wird, dass die Gesamtleistung der Lüfteranordnung nach wie vor der abgeforderten Lüfterleistung entspricht. Im Steuermodul 1 eingehende Leistungsanforderungen fließen in diesem Zustand in die Regelung des zweiten Motors 6 über das Tastverhältnis TV2 ein, während der erste Motor 5 mit dem Tastverhältnis TV1', in der Regel 100%, also dem maximal möglichen Tastverhältnis, welches einen Dauerbetrieb des Motors 5 mit maximaler Drehzahl bewirkt, betrieben wird. In einer besonders einfachen Alternative werden nach Überschreiten der zweiten Grenztemperatur T2 beide Motoren 5, 6 ungeregelt betrieben, beispielsweise indem ein Motor 5 auf ein maximales Tastverhältnis TV1'max gelegt wird, während der zweite Motor 6 mit einem deutlich verringertem konstanten Tastverhältnis TV2' und damit einer deutlich verringerten Verlustleistung an den Leistungsbauelementen 4 und 7 betrieben wird, wenn so die Gewährleistung einer ausreichend großen Lüfterleistung des Gesamtsystems gegeben ist. Im vorliegenden Beispiel gilt T1 = T2. Gegebenenfalls kann auch die Verlustleistung, die auf der Platine 2 abfällt, über eine Diagnoseleitung an das Steuermodul 1 rückgemeldet werden und als Eingangssignal PV in die Berechnung des Steuerregimes einbezogen werden. Eine Daueransteuerung, also ein Tastverhältnis von 100%, eines Motors 5 oder 6 oder beider Motoren 5, 6 vermindert die Verlustleistung in der jeweiligen geschalteten Leistungsendstufe, da für Leistungshalbleiter kritische Tastverhältnisse von 99% und für den Kondensator 7 kritische Tastverhältnisse um 80% gleichermaßen vermieden werden, und erhöht durch die maximale Lüfterleistung zugleich die Wärmeableitung durch Konvektion, wodurch ein schnelles Unterschreiten von T1 und/oder T2 und eine Rückkehr zum ursprünglichen Betriebsmodus ermöglicht wird.
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Solange nur ein Motor 5, 6 mit einem festen oder maximalen Tastverhältnis TV1', TV2' betrieben wird, kann der andere Motor 6, 5 nach wie vor mit einem variablen Tastverhältnis TV2, TV1 angesteuert werden, wodurch eine Regelung der abgegebenen Lüfterleistung der Lüfteranordnung entsprechend der angeforderten Lüfterleistung möglich bleibt. Erst wenn die angeforderte Lüfterleistung noch weiter steigt und sich trotz des maximalen Tastverhältnisses TV1'max oder TV2'max eine kritische Grenztemperatur T2 auf der Platine einstellt, kann auf die Regelbarkeit der Lüfterleistung verzichtet werden und beide Motoren 5, 6 mit einem konstanten Tastverhältnis TV1'max und TV2'max angesteuert werden, was dem Anlegen eines ungetakteten Gleichstromes entspricht und beide Motoren 5, 6 mit maximaler Drehzahl laufen lässt, wodurch gleichzeitig die maximal zur Verfügung stehende Lüfterleistung der Lüfteranordnung abgegeben wird. Kommt es in diesem Betriebszustand noch immer nicht zum Unterschreiten der Grenztemperatur T2 auf der Platine, so erfolgt ein Dauerbetrieb der Lüfteranordnung in einem ungeregelten Betriebsmodus unter weiterer Überwachung der Platinentemperatur über das Signal TNTC. Steigt die Platinentemperatur weiter, was durch extrem ungünstige Umgebungsbedingungen der Fall sein kann, so erfolgt bei Erreichen einer weiteren Grenztemperatur T3 eine Abschaltung beider Motoren 5, 6, indem die Tastverhältnisse TV1, TV2 auf Null gesetzt werden. Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der abzugebenden Lüfterleistung auf zwei separat betreibbare Motoren 5, 6 ergibt sich die Möglichkeit, bei normalen Betriebsbedingungen die angeforderte Lüfterleistung im wesentlichen von einem Motor 5 erbringen zu lassen. Wird dieser Motor 5 ähnlich dimensioniert wie in vergleichbaren Lüftersystemen mit nur einem Motor, dann ergibt sich ein mit dem Verbrauch herkömmlicher Lüftersysteme vergleichbarer Energieverbrauch. Die erfindungsgemäße Lüfteranordnung verfügt jedoch durch den zweiten Motor 6 über erhebliche Leistungsreserven, weshalb ein kritischer Betriebszustand, der bei Erreichen der Grenztemperatur T4 zum Abschalten der Lüfteranordnung führt, wesentlich seltener erreicht wird, als das bei herkömmlichen Lüfteranordnungen der Fall war. Damit ist eine deutliche Erhöhung der Verfügbarkeit der Lüfteranordnung erreicht, ohne den Energiebedarf der Lüfteranordnung wesentlich zu vergrößern. Gleichzeitig ist bei parallelem Betrieb beider Motoren 5, 6 eine geregelte Abgabe einer angeforderten Lüfterleistung bis zu wesentlich höheren Leistungen und bei Temperaturbedingungen möglich, die in herkömmlichen Systemen lediglich einen ungeregelten Dauerbetrieb gestatten. Durch die asymmetrische Auslegung der Motoren 5, 6 kann erreicht werden, dass sich der größere Motor 5 in einem weiten Bereich unterschiedlicher Betriebsbedingungen ansteuern lässt, wie ein herkömmlicher Motor in Lüftersystemen mit einem Motor. Beispielsweise kann unterhalb einer relativ niedrigen Grenztemperatur T4 und/oder unterhalb einer festgelegten Lüfterleistung automatisch nur ein Motor 5 betrieben werden. Des weiteren ergibt sich beim Betrieb des größeren Motors 5 mit Dauerstrom durch den insgesamt kleineren Leistungsanteil des Motors 6 ein besonders weiter Leistungsbereich, in dem eine geregelte Abgabe der angeforderten Lüfterleistung durch die erfindungsgemäße Lüfteranordnung möglich ist.
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Alternativ zum beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Lüfteranordnung auch durch Parallelbetrieb beider Motoren 5, 6 bei geringen angeforderten Lüfterleistungen und/oder Platinentemperaturen besonders schonend betrieben werden, indem ein Steuerregime gewählt wird, das beispielsweise die Platinentemperatur minimiert. In beiden Varianten können Informationen über die Umgebungstemperatur TU , die zur Verfügung stehenden Betriebsspannung UB, die Verlustleistung PV und andere zur Verfügung stehende Parameter in die Festlegung der jeweiligen Tastverhältnisse TV1, TV2 einbezogen werden, da diese Informationen in der Regel eine Prognose des thermischen Verhaltens der Platine 2 ermöglichen, wodurch beispielsweise kurzzeitige Überschreitungen von Grenztemperaturen als nicht qualifizierte Überschreitungen erkannt und ignoriert werden können.
