DE102008012942A1

DE102008012942A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ansteuerung einer induktiven Last

Info

Publication number: DE102008012942A1
Application number: DE102008012942A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Hinrichsen; Peter Merk; Andreas Schwenger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2008-10-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Ansteuerung einer induktiven Last (L), wobei die induktive Last (L) als Strom-Kraft-Wandler arbeitet, umfassend eine Halbbrückenschaltung, wobei in den Zweigen der Halbbrückenschaltung Schalter (S1, S2) angeordnet sind und die induktive Last (L) in der Brücke (2) angeordnet ist, wobei ein Anschluss der induktiven Last (L) zwischen den Schaltern (S1, S2) angeordnet ist und der andere Anschluss mit einem ersten Spannungsniveau (U<SUB>K</SUB>) verbunden ist, wobei die Halbbrückenschaltung auf einem zweiten Spannungsniveau (U<SUB>H</SUB>) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung einer induktiven Last.
Insbesondere in Kraftfahrzeugen stellt sich das Problem, dass unterschiedlich hohe Spannungsniveaus gewünscht werden, wo einige Verbraucher mit einer kleinen Spannung von 12 V bzw. 14 V betrieben werden, andere Verbraucher, beispielsweise induktive Lasten, hingegen mit einer höheren Spannung von 42 V, da dann mit kleineren Strömen die gleiche Leistung erzeugt werden kann. Dies erlaubt dann kleinere Kabeldurchmesser und dadurch Kosteneinsparungen und Gewichtsreduktion. Prinzipiell gibt es drei Möglichkeiten zur Realisierung eines solchen Zwei-Spannungsbordnetzes.

– Es wird neben dem 12 V-Generator zusätzlich ein 42 V-Generator eingebaut, der gegebenenfalls noch mit einer 42 V-Batterie ergänzt wird.
– Es wird zusätzlich ein Spannungswandler von 12 V auf 42 V eingesetzt und gegebenenfalls der 12 V-Generator verstärkt.
– Es wird der 12 V-Generator durch einen 42 V-Generator (gegebenenfalls mit 42 V-Batterie) ersetzt und zusätzlich ein Spannungswandler von 42 V auf 12 V eingesetzt, der die 12 V-Verbraucher versorgt und eine gegebenenfalls noch vorhandene 12 V-Batterie lädt.

Das erste Prinzip ist relativ aufwendig. Auch die beiden Varianten mit Spannungswandlern sind schaltungstechnisch aufwendig.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung von einer induktiven Last zu schaffen, die einen einfachen schaltungstechnischen Aufbau aufweisen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 16. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Vorrichtung zur Ansteuerung einer induktiven Last, wobei die induktive Last als Strom-Kraft-Wandler arbeitet, umfasst eine Halbbrückenschaltung, wobei in den Zweigen der Halbbrückenschaltung Schalter angeordnet sind und die induktive Last in der Brücke angeordnet ist, wobei ein Anschluss der induktiven Last zwischen den Schaltern angeordnet ist und der andere Anschluss mit einem ersten Spannungsniveau verbunden ist, wobei die Halbbrückenschaltung auf einem zweiten Spannungsniveau liegt. Der Strom durch die Last wird dabei durch wechselseitiges Schalten des oberen und unteren Schalters geregelt oder gesteuert. Hierdurch wird eine Schaltungsanordnung geschaffen, die mit einem äußerst geringen Bauteileaufwand neben der Ansteuerung der induktiven Last eine Abwärts- oder Aufwärtswandler-Funktion erfüllt. Die Schaltung selbst entspricht weitgehend einem Aufwärtswandler, wobei jedoch im Gegensatz zum Aufwärtswandler die induktive Last als Strom-Kraft-Wandler betrieben wird, was aufgrund der Verluste und Geräusche bei einem reinen Wandler durch spezielle Maßnahmen wie beispielsweise Verguss unterbunden wird. Bei der Arbeitsweise als Strom-Kraft-Wandler wird die Kraftwirkung, die ein durch eine induktive Last fließender Strom erzeugt, ausgenutzt, um eine mechanische Masse zu bewegen, beispielsweise das öffnen eines Ventils gegen einen hohen Zylinderinnendruck.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Spannungsniveau kleiner als das zweite Spannungsniveau.
Weiter vorzugsweise ist an dem ersten Spannungsniveau ein Generator angeschlossen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist parallel zur Halbbrückenschaltung mindestens ein Kondensator C und/oder parallel zur induktiven Last und dem Schalter im oberen Zweig mindestens ein Kondensator C3 angeordnet. Über den oder die Kondensatoren kann dann die Energie auf dem höheren zweiten Spannungsniveau gespeichert werden. Vorzugsweise wird C3 auf eine kleinere Spannung als C ausgelegt. Dabei können auch mehrere Kondensatoren und/oder weitere Energiespeicher wie Batterien, Akkumulatoren parallel geschaltet werden. Vorzugsweise wird mindestens ein Folien-, Keramik- und/oder Elektrolyt-Kondensator eingesetzt, da diese sehr gut hohe Stromgradienten tolerieren. Abhängig von diesen Energiespeichern sind gegebenenfalls unterschiedliche Hilfsschaltungen und unterschiedliche Regler notwendig.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist parallel zur induktiven Last und dem Schalter im unteren Zweig ein Kondensator C2 angeordnet, der primär der Entstörung dient.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kondensator C und/oder C3 mit mehreren Halbbrückenschaltungen verbunden, was weitere Bauteile einspart.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Spannungsregler-Schaltung für das zweite Spannungsniveau.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die induktive Last durch mindestens zwei voneinander unabhängige Wicklungen gebildet, die unterschiedlich verpolt an die jeweilige Halbbrückenschaltung angeschlossen sind. Vorzugsweise ist die Kraft annähernd proportional zum Strom, wobei sich für den Aktor (induktive Last) die mit beiden Wicklungen erzeugten Kräfte im Wesentlichen addieren. Wenn also z. B. jede Wicklung die halbe Kraft des Aktors erzeugen soll, sind beide Endstufenströme betragsmäßig gleich, haben aber ein unterschiedliches Vorzeichen. Dadurch erfolgt mit einer Endstufe ein Energie-Transfer vom ersten zum zweiten Spannungsniveau, mit der anderen Endstufe in der Gegenrichtung, d. h. es kann für einen einzelnen Aktor stationär eine weitgehend ausgeglichene Bilanz der zum zweiten Spannungsniveau transferierten und entnommenen Energie erreicht werden. Bei Berücksichtigung von Verlusten wird allerdings auch bei in beiden Wicklungen betragsmäßig gleichen Strömen ein Defizit auftreten. Durch unterschiedliche Aufteilung des Summenstroms auf beide Wicklungen kann aber in jedem Betriebspunkt zusätzlich ein Energietransfer eingestellt werden, unabhängig von der Kraftrichtung des Aktors, bis eine Wicklung mit Maximalstrom betrieben wird. Ein Ausgleich über mehrere Aktoren, deren Endstufen-Anschlüsse für das zweite Spannungsniveau verbunden sind, kann selbstverständlich weiterhin erfolgen.
Auch bezüglich der Dynamik hat ein Aktor mit zwei unterschiedlich gepolten Wicklungen Vorteile. Es gibt jetzt in wesentlichen Wegbereichen für jede Kraftrichtung immer eine Wicklung, in der der Strombetrag schnell erhöht werden kann. In der anderen kann er dann schnell verkleinert werden. Einzige Ausnahme könnten die Wegbereiche um die Kommutierungslücken sein, wenn diese für die Teilmotoren nicht zusammenfallen. Eine Strategie kann dann also darin bestehen, z. B. bei einer Anforderung zur Erhöhung des Kraftbetrages, nur den Strom in der Wicklung mit negativem Strom betragsmäßig zu erhöhen, bei einer Anforderung zur Verkleinerung des Kraftbetrages dagegen nur den Strom in der Wicklung mit positivem Strom zu verkleinern. Als Konsequenz wird sich dann allerdings die Differenz der Strombeträge in beiden Wicklungen immer weiter vergrößern.
Abhilfe kann ein Ausgleichs-Algorithmus bringen, der dann, wenn eine aus Dynamikanforderungen resultierende Differenz besteht, diese dadurch verkleinert, dass Stromänderungen in der für jede Wicklung "langsameren Richtung" überlagert mit den oben beschriebenen Anteilen angefordert werden.
Diese Algorithmen bewirken alle im Mittel eine Strombetragsdifferenz in den beiden Wicklungen, die größer Null ist und mit höherer Dynamik wächst. Zur Verlustminimierung und um zu vermeiden, dass eine Wicklung wesentlich früher eine Maximalstromgrenze erreicht als die andere, bietet es sich an, die stationären Stromsollwerte für beide Wicklungen nicht betragsmäßig gleich zu wählen, sondern so, dass erst mit einer gewissen, aus Dynamikanforderungen resultierenden Differenz die Strombeträge etwa gleich sind. Diese "stationäre Strombetragsdifferenz" kann z. B. konstant, von der Summe der Strombeträge abhängig, von den aufgrund der Soll-Hubkurve und Motordrehzahl abschätzbaren (mittleren) Stromgradienten abhängig oder adaptiv sein, d. h. aufgrund von den in einem oder mehreren früheren Zyklen tatsächlich aufgetretenen Strombetragsdifferenzen gewählt werden.
Im Prinzip lassen sich als Schalter alle Leistungs-Halbleitertypen wie beispielsweise MOS- und bipolare Transistoren, IGBTs, Thyristoren einsetzen. Insbesondere für Anwendungsfälle, wo die induktive Last Teil eines elektromotorischen Ventilbetriebes (EVT) ist, kommen vorzugsweise MOS-FETs zum Einsatz.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Sensierung des Laststroms ausgebildet. Für die Sensierung des Laststroms gilt hier im Wesentlichen, was von konventionellen Brücken bekannt ist: Technisch am besten ist die Sensierung des Stroms in Reihe mit der Last, aber diese muss potentialfrei bzw. relativ zum ersten Spannungsniveau erfolgen und ist deshalb etwas aufwendig. Ersatzweise kann mit einigen Nachteilen die Sensierung des Stroms durch den unteren Schalter über einen Shunt-Widerstand nach Masse erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Erfassung und/oder Ermittlung von dem zweiten Spannungsniveau ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch einen Spannungsteiler aus zwei Widerständen nach Masse erfolgen, was vorteilhaft ist, wenn wie üblich die Masse der Steuereinheit, die über Analog-Digital-Wandler die Messungen ausführt, mit der Masse der Halbbrücken verbunden ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem zweiten Spannungsniveau eine Spannungsbegrenzerschaltung zugeordnet, um ein Überladen der zugeordneten Energiespeicher zu verhindern. Alternativ oder ergänzend kann beispielsweise eine Verkleinerung der Lastströme bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Spannung des zweiten Spannungsniveaus vorgesehen sein oder ein bewusstes Zuschalten eines ohmschen Verbrauchers. Die Spannungsbegrenzerschaltung ist vorzugsweise als MOS-FET ausgebildet, mit einer Zenerdiode zwischen Drain- und Gate-Anschluss und einem Widerstand zwischen Gate- und Source-Anschluss.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist parallel zur Halbbrückenschaltung eine Batterie angeordnet, wodurch im Allgemeinen die Spannung des zweiten Spannungsniveaus grob festgelegt ist. Darüber hinaus ist dann im Allgemeinen eine Ladezustandsregelung notwendig, die in die Regler der erfindungsgemäßen Halbbrückenschaltung integriert werden kann und die vom Batterietyp abhängig ist. Im einfachsten Fall wird auf eine konstante Spannung geregelt, die z. B. der Ladeschlussspannung der Batterie entspricht. Denkbar ist auch eine Bestimmung der Ladebilanz (vorzeichenrichtiges Zeit-Integral des Batterie-Stroms) durch Integration der Ströme durch die oberen Schalter aller an die Batterie angeschlossener Halbbrückenschaltungen. Die Ansteuerzeiten der Schalter sind den Steuereinheiten der Halbbrückenschaltungen bekannt und die Schalterströme können von den Steuereinheiten aus den gemessenen Lastströmen abgeleitet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung mit einer Einschaltstrombegrenzung ausgebildet. Dafür sind beispielsweise Anordnungen bekannt, bei denen die Versorgungsspannung zunächst nur über einen Widerstand an die Kondensatoren geschaltet wird. Erst wenn die Kondensatoren das der Versorgungsspannung entsprechende Niveau weitgehend erreicht haben, wird der Widerstand überbrückt, um im Betrieb keine zusätzlichen Verluste zu erzeugen. Abhängig von den Kapazitäten C2 kann eine solche Maßnahme beim Einschalten der Spannung des ersten Spannungsniveaus notwendig werden. Dagegen sollte die Induktivität der Last ausreichen, den Einschalt-Strom in C auch dann ausreichend zu begrenzen, wenn für C2 keine Einschaltstrombegrenzung und der obere Schalter als MOS-FET (mit parasitärer Diode) implementiert ist.
Im Fall, dass ein Aktor mit zwei unterschiedlich gepolten Wicklungen verwendet wird, heben sich die Kraftwirkungen der Einschaltströme durch die beiden Wicklungen, die als im Wesentlichen gleich angenommen werden, in den meisten Wegbereichen auf. Steht der Aktor beim Einschalten dagegen im Bereich der Kraft- bzw. Kommutierungslücken und sind die Teilmotore gegeneinander verschoben, kann durch Umpolen beider Wicklungen auch die Kraftrichtung umgekehrt werden.
Ein weiteres Einschaltstrom-Problem kann auftreten, wenn parallel zur Halbbrückenschaltung oder parallel zu C3 eine Batterie betrieben wird, die bei abgeschaltetem Gerät aber von U_H bzw. C3 getrennt wird (z. B. um eine Entladung durch Ruheströme zu vermeiden). Diese sollte erst dann an U_H bzw. C3 geschaltet werden, wenn die Differenz zwischen Batterie-Spannung und der Spannung U_H bzw. an C3 eine Grenze unterschritten hat. Dazu kann mit der oben beschriebenen Wandlerfunktion U_H bzw. die Spannung an C3 auf den gewünschten Wert gebracht werden, bevor die Verbindung zwischen Batterie und Halbbrücke bzw. C3 hergestellt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden mehrere induktive Lasten gruppenweise zusammengefasst, wobei jede Gruppe einen separaten Anschluss an das zweite Spannungsniveau aufweist.
Im einfachsten Fall werden die U_H-Anschlüsse aller Halbbrücken miteinander verbunden. Im Falle eines Defekts, der z. B. wie ein Kurzschluss von U_H nach Masse wirkt, fielen dann gegebenenfalls alle Aktoren (z. B. Ventile) gleichzeitig aus und es wäre nicht einmal ein eingeschränkter Betrieb des Motors möglich. Mit der erfindungsgemäßen, über viele Halbbrücken "verteilten" Spannungswandlerfunktion ist es leicht möglich, die Halbbrücken in verschiedene Gruppen aufzuteilen, mit dem Ziel, dass ein Defekt in einer Gruppe die Funktion in anderen Gruppen nicht verhindert. Jede Gruppe könnte z. B. über ein eigenes U_H-Signal (und eigene Kondensatoren und gegebenenfalls weitere Energiespeicher) verfügen, das mit den U_H-Signalen der anderen Gruppen nicht verbunden ist. Bei der Einteilung der Halbbrücken in Gruppen ist gegebenenfalls zu beachten, dass die Energiebilanz "passt", d. h. entweder zu jeder Zeit oder – bei Vorhandensein entsprechender Energiespeicher – im zeitlichen Mittel die aus U_H entnommene Energie nicht größer ist als die durch die Spannungswandlerfunktion gespeiste. Das könnte der Fall sein, wenn z. B. die Halbbrücken aller Ventile, die jeweils zu einem Zylinder gehören (1 Gruppe je Zylinder), oder die Halbbrücken aller Ventile gleicher Funktion (Gruppe 1 für Einlassventile 1 aller Zylinder, Gruppe 4 für die Auslassventile 2 aller Zylinder) zu einer Gruppe zusammengefasst werden. Im ersten Fall wäre ein Motornotlauf mit einem stillgelegten Zylinder möglich, im zweiten ein Motornotlauf mit allen Zylindern, aber reduzierter Funktion und Leistung. Ein weiterer Vorteil der Aufteilung in Gruppen besteht darin, dass bei zyklenabhängiger U_H-Vorgabe in den verschiedenen Gruppen eine unterschiedliche U_H-Vorgabe möglich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform werden bei einem 4-Ventil-Motor folgende 2 Gruppen gebildet. Gruppe 1 wird jeweils durch Einlassventile 1 und Auslassventile 1 jedes Zylinders gebildet. Gruppe 2 wird dann durch die Einlassventile 2 und Auslassventile 2 jedes Zylinders gebildet.
Dadurch, dass mehrere bzw. sogar alle Wicklungen einseitig auf demselben Potential liegen (hier U_K), können z. B. Anschlussklemmen und Zuleitungen eingespart werden, wenn diese Verbindungen lokal in einem Aktor (oder z. B. einem Mehrfachaktor in einem Gehäuse für z. B. zwei Einlass- oder zwei Auslassventile oder alle Ventile eines Zylinders) erfolgen und dafür nur ein Anschlussmittel vorgesehen wird. Sind Aktoren und Endstufen räumlich getrennt, braucht von jeder Wicklung nur eine Leitung zur Endstufeneinheit geführt zu werden (bei konventioneller Voll-Brückenschaltung hingegen zwei). Alle gemeinsamen Wicklungsanschlüsse können dann über eine einzige U_K-Zuleitung in den Aktorraum angeschlossen werden. Hierdurch können die ohmschen Verluste in den Zuleitungen gegenüber konventionellen Anordnungen reduziert werden.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Einsatz für einen elektromotorischen Ventilbetrieb (EVT) in einem Kraftfahrzeug.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zur Ansteuerung einer induktiven Last und
2 ein schematisches Schaltbild einer aus zwei Wicklungen zusammengesetzten induktiven Last mit gegeneinander verpolten Wicklungen.
In der 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Ansteuerung einer induktiven Last L in Form einer Halbbrückenschaltung dargestellt, wobei die induktive Last L als Strom-Kraft-Wandler arbeitet, beispielsweise als Wicklung eines elektromotorischen Ventilbetriebes eines Kraftfahrzeuges. Die Halbbrückenschaltung umfasst zwei Zweige, in denen Schalter S1, S2 angeordnet sind und eine Brücke 2, in der die induktive Last L angeordnet ist, wobei ein Anschluss der induktiven Last zwischen den Schaltern S1, S2 angeordnet ist. Der andere Anschluss der induktiven Last ist mit einem ersten Spannungsniveau U_K verbunden, das vorzugsweise durch einen Generator aufgebaut wird. Parallel zu dem Generator kann dabei beispielsweise eine Batterie geschaltet sein. Die Halbbrückenschaltung liegt auf einem zweiten Spannungsniveau U_H, wobei nachfolgend gelten soll, dass U_H > U_K ist. Parallel zur Halbbrückenschaltung ist ein erster Kondensator C angeordnet, der die Energie auf dem zweiten Spannungsniveau U_H speichert. Parallel zur induktiven Last L und dem Schalter S2 im unteren Zweig ist ein zweiter Kondensator C2 angeordnet, der sich günstig auf Entstörung und Wirkungsgrad auswirkt. Da dieser zweite Kondensator C2 optional ist, ist dieser gestrichelt dargestellt. Ergänzend oder alternativ zum ersten Kondensator C ist parallel zur induktiven Last L und dem Schalter S1 im oberen Zweig ein dritter Kondensator C3 angeordnet, wobei der dritte Kondensator C3 vorzugsweise auf eine kleinere Spannung als U_H ausgelegt werden kann. Die Schaltung entspricht so weitgehend der Grundschaltung eines Gleichspannungs-Aufwärtswandlers, auch Hochsetzsteller oder DC-Boost-Converter genannt, mit der Ausnahme, dass die induktive Last als Strom-Kraft-Wandler arbeitet, also elektrische Energie in mechanische Kraft umwandelt.
Die folgende Tabelle 1 zeigt die möglichen Betriebszustände (die Bemerkungen gelten idealisiert, z. B. bei Vernachlässigung von Verlusten und in die induktive Last induzierter Spannungen):

Zustand S1 S2 Bemerkungen

P aus Ein positiver Stromgradient (U_L = U_K)

N Ein aus negativer Stromgradient (U_L = U_K – U_H)

A aus aus kein Stromfluss (I = 0, U_L = 0)
Üblicherweise besteht eine erste Regelungs-Aufgabe darin, den Strom I durch die Last auf einen Sollwert zu regeln. Ein Regler bestimmt dann häufig aus Soll- und Ist-Strom einen Sollstromgradienten bzw. die Sollspannung an der Last und verändert das Tastverhältnis, mit dem zwischen den Zuständen P und N umgeschaltet wird. Das Tastverhältnis und die Spannungen U_K und U_H bestimmen die mittlere Spannung an der Last.
Angenommen, der Ist-Strom ist 0 und es wird vom übergeordneten Regler (z. B. dem Wegregler, dessen Aufgabe es ist, einen vorgegebenen Ventil-Sollhub einzustellen, und der dieses durch Berechnung und Vorgabe von Strom-Sollwerten an den unterlagerten Stromregler ausführt) ein positiver Soll-Strom angefordert. Dann wird – je nach spezieller Ausführung des Stromreglers – z. B. der Zustand P eingestellt, bis der Ist-Strom den Soll-Strom fast erreicht hat und dann in einen Wechsel aus Zustand P und Zustand N mit einem Tastverhältnis umgeschaltet wird, das mit weiterer Annäherung von Soll- und Ist-Strom verkleinert wird. Im Zustand N bei positivem Strom I fließt dieser über S1 weiter in den Kondensator C, so dass U_H wächst und diese Anordnung als Spannungswandler wirkt, der Energie von U_K nach U_H transferiert. Soll der Strom I konstant auf einem positiven Wert gehalten werden, muss also mit dem "passenden" Tastverhältnis zwischen den Zuständen P und N umgeschaltet werden, wobei im Zustand P eine positive Spannung an der Last liegt, die den Laststrom erhöht und im Zustand N eine negative, die den Laststrom verkleinert. Im Gegensatz zu einer Vollbrücke gibt es bei der Anordnung nach 1 keinen "Freilaufzustand", in dem die Spannung an der Last idealisiert Null ist und der Strom idealisiert konstant bleibt.
Soll der Laststrom wieder auf Null gestellt werden, kann solange der Zustand N eingestellt werden, bis der Ist-Strom Null ist. Nur dann kann bei induktiver Last in den Zustand A geschaltet werden. Null ist also der einzige Stromsollwert, der ohne periodischen Wechsel der Zustände P und N stationär einstellbar ist.
Wird ein negativer Soll-Strom angefordert und ist die Voraussetzung U_H > U_K erfüllt, wird im Zustand N eine negative Spannung an die Last gelegt und der Ist-Strom steigt betragsmäßig bei negativem Vorzeichen. Es gilt hier weitgehend das Komplementäre zu dem oben beschriebenen Fall mit positivem Strom. Insbesondere wird bei negativem Strom jetzt Energie von U_H nach U_K transferiert, was aus Wirkungsgrad-Gründen meist nicht erwünscht ist. Die Anordnung aus 1 arbeitet hier als "Abwärtswandler", "Tiefsetzsteller" oder "Buck-Converter".
Wie vorstehend beschrieben, sind an die Spannung U_H gewisse Anforderungen zu stellen, um negative Lastströme wie gewünscht einstellen zu können. Daraus ergibt sich eine zweite Regelungs-Aufgabe in der Einstellung von U_K. Wie oben ausgeführt wurde, hängen aber Laststrom und Energietransfer zwischen U_K und U_H voneinander ab und die Anordnung nach 1 bietet keinen zusätzlichen Freiheitsgrad in der Ansteuerung, der eine unabhängige Regelung von Laststrom und U_H ermöglichen würde. Besteht aber die Möglichkeit, den Laststrom mit dem Ziel, U_H zu regeln, gegenüber einer ursprünglichen Vorgabe zu manipulieren, ohne den zu regelnden Prozess zu stören, kann damit die Energiebilanz in C ausgeglichen werden.
In der Anwendung EVT besteht folgende Möglichkeit. Ein Einlass- oder Auslassventil eines konventionellen 4-Takt-Motors ist für etwa 3 Takte geschlossen und führt in dem verbleibenden Takt die Hubkurve aus. Als EVT realisiert, ist in der Geschlossen-Phase in den Aktoren im Allgemeinen eine schließende, relativ kleine Kraft aufzubringen, hier bei positivem Strom nach 1. Wird in dieser Phase der Laststrom (und damit die schließende Kraft) erhöht, um mehr Energie von U_K nach U_H zu transferieren, führt dieses nicht zu unerwünschten Ventilhüben, da das Ventil am Anschlag steht und lediglich stärker in diesen gedrückt wird. Gegebenenfalls ist ein höherer Kühlleistungsbedarf zu berücksichtigen. Während der Hubphase sind dagegen im Allgemeinen keine Abweichungen von den vom Wegregler berechneten Sollströmen zulässig, da sonst unakzeptable Abweichungen von den Hubverläufen zu erwarten sind. Eine Ausnahme kann in bestimmten Wegbereichen, um die "Kommutierungslücken" herum, bestehen, in denen das Verhältnis von Kraft zu Strom des Aktors betragsmäßig sehr klein ist und das Vorzeichen wechselt, so dass ein zusätzlich eingestellter Laststrom entweder keine wesentliche Kraft bewirkt oder eine, die sich vor und nach dem Kommutierungspunkt weitgehend aufhebt. Insgesamt ist zu erwarten, dass die Energiebilanz in C bei minimalen Halteströmen in der Geschlossen-Phase negativ ist, d. h. es reicht im Allgemeinen, diese Halteströme bei Bedarf anzuheben, ein Stelleingriff zum Absenken von U_H ist im Normalbetrieb normalerweise nicht notwendig.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, mehrere Ventilendstufen auch auf der U_H-Seite zusammenzuschalten, so dass z. B. drei Endstufen in der Geschlossen-Phase die Energie auf die U_H-Seite transferieren, die eine vierte Endstufe gerade für eine Hubphase benötigt.
Es sind sehr unterschiedliche Implementierungen des U_H-Reglers denkbar, von denen im Folgenden nur zwei beispielhaft angesprochen werden:

1. Der U_H-Regler ist auf einer höheren, z. B. der Wegreglerebene, implementiert. Er misst U_H (bzw. erhält den gemessenen Wert von einer anderen Einheit übertragen), bestimmt die Regelabweichung und erhöht die Sollströme der zur Zeit geeigneten (hier z. B. in der Geschlossen-Phase befindlichen) Ventile entsprechend. Die unterlagerten Stromregler haben – abgesehen davon, dass sie die vorgegebenen Sollströme einstellen – nichts mit der U_H-Regelung zu tun.
2. Der U_H-Regler ist auf der unteren, der Stromregler-Ebene, implementiert. Die Stromregler erhalten von dem übergeordneten Regler zusätzlich zu den (minimalen) Strom-Sollwerten den Sollwert für U_H (falls nicht konstant) und eine Information, ob der Strom-Sollwert für die U_H-Regelung verändert werden darf oder nicht (z. B. identisch mit der aktuellen Phaseninformation, "Hub" oder "Geschlossen"). Falls ja, wird wieder U_H gemessen, die Regelabweichung bestimmt, der Strom-Sollwert entsprechend erhöht und der Stromregler durchlaufen.

Die vorstehenden Ausführungen gelten unter der Voraussetzung, dass es im EVT-Betrieb in kurzen zeitlichen Abständen Phasen gibt, die zum einen Energie von U_K nach U_H und zum anderen von U_H nach U_K transferieren und es ohne Störung der Hubverläufe möglich ist, die Transfers in mindestens einer Richtung so zu "trimmen", dass sich die beiden Energien über der Zeit im Wesentlichen aufheben. Es ist aber z. B. die motortechnische Anforderung denkbar, alle Ventile für eine erhebliche Zeit gleichzeitig mit einer Haltekraft geschlossen zu halten. Damit würde der Energietransfer von U_H nach U_K entfallen und U_H immer weiter steigen. Dieses Problem kann z. B. folgendermaßen gelöst werden:

I. An U_H wird eine Überspannungsschutzschaltung ergänzt, die überschüssige Energie umsetzt, beispielsweise durch einen ohmschen Verbraucher in Wärme umwandelt, was aber energetisch nicht sinnvoll ist.
II. Es wird an U_H ein zusätzlicher Spannungswandler (von U_H abwärts nach U_K) vorgesehen, der bei Überschreiten einer Grenze von U_H beginnt zu arbeiten.
III. Für eine Teilmenge der EVT-Endstufen wird die Last gegenüber dem bisher besprochenen verpolt. Diese können dann in einer Haltephase als Abwärtswandler von U_H nach U_K verwendet werden und gleichzeitig ihre Haltekraft erzeugen, wenn Bedarf besteht, Energie von U_H nach U_K zu transferieren.

Ein weiteres Problem der Schaltung entsteht durch die im Allgemeinen betragsmäßig unterschiedlichen großen Spannungen, die einerseits im Zustand P und andererseits – mit umgekehrtem Vorzeichen – im Zustand N an die Last gelegt werden und im Allgemeinen zu unterschiedlicher Dynamik (Stromanstiegssteilheit) in den beiden Strom-Richtungen führen. Grundsätzlich wäre es selbstverständlich möglich, U_H = 2·U_K zu wählen und die Asymmetrie so zu vermeiden. Solange aber U_K der Bordnetzspannung von nur 12 ... 14 V entspricht, erscheint es günstiger, mindestens bei hohen Dynamikanforderungen (z. B. bei hohen Motordrehzahlen) die Asymmetrie zu Gunsten einer besseren Dynamik in wenigstens einer Richtung in Kauf zu nehmen und z. B. U_H = 3·U_K zu wählen. Dann kann ein negativer Strom betragsmäßig schneller auf- als abgebaut und ein positiver Strom schneller ab- als aufgebaut werden. Denkbar ist, U_H variabel zu halten (durch Vorgabe entsprechender Sollwerte an den U_H-Regler) und abhängig von den Dynamikanforderungen zu wählen. Die Aktor-Wicklungen sollten bezüglich Windungszahl und Maximalstrom so ausgelegt werden, dass der sich ergebende Kraftgradient im Zustand P gerade eben ausreicht. Gegenüber der 42 V-Auslegung werden aber eine schlechtere Dynamik und ein höherer Maximalstrom resultieren, auf den auch die anderen Komponenten in 1 ausgelegt werden müssen.
Speziell für Aktoren mit einer Kommutierung über dem Gesamthub erscheint es sinnvoll, bei hohen Drehzahlen den Aufbau negativer Ströme zu Lasten einer Asymmetrie schneller zu machen. Bei hohen Drehzahlen müssen die Ventile (mit "normaler" Polung der Wicklung, nicht entsprechend III.) im Allgemeinen aus der Geschlossen-Stellung heraus mit hohen negativen Strömen beschleunigt und nach der Kommutierungsstelle auch mit hohen negativen Strömen abgebremst und in Richtung Schließen beschleunigt werden. Dann wird die Kommutierungsstelle wieder durchlaufen und das Ventil mit hohem negativem Strom vor dem Schließen abgebremst. In diesem speziellen Fall kann also der negative Strom unter günstigen Umständen praktisch während der gesamten Hubkurve beibehalten werden, weil sich an den Kommutierungsstellen auch gerade die gewünschte Kraft- bzw. Beschleunigungsrichtung ändert. Problematisch ist nur die letzte Phase, der Abbau des negativen Stroms in der letzten Schließphase. Hier müssen Maßnahmen im Regler und der geringen Dynamik angepasste Soll-Hub-Kurvenverläufe ausreichen.
Besonders günstige Verhältnisse liegen vor, wenn jeder Aktor über zwei Wicklungen L1, L2 verfügt, wobei für jede Wicklung die Kraft annähernd proportional zum Strom ist und sich für den Aktor die mit beiden Wicklungen erzeugten Kräfte im Wesentlichen addieren. Dann kann jede Wicklung mit einer Endstufe bzw. Halbbrückenschaltung betrieben und es können die beiden Wicklungen eines Aktors unterschiedlich gepolt werden, was in 2 durch die Punkte an den Wicklungen angedeutet ist. Wenn also z. B. jede Wicklung die halbe Kraft des Aktors erzeugen soll, sind beide Endstufenströme I1, I2 betragsmäßig gleich, haben aber in 2 unterschiedliches Vorzeichen. Dadurch erfolgt mit einer Endstufe ein Energie-Transfer von U_K nach U_H, mit der anderen in der Gegenrichtung, d. h. es kann schon für einen einzelnen Aktor stationär eine weitgehend ausgeglichene Bilanz der nach U_H transferierten und von U_H entnommenen Energie erreicht werden. Bei Berücksichtigung von Verlusten wird allerdings auch bei in beiden Wicklungen betragsmäßig gleichen Strömen ein Defizit auftreten. Durch unterschiedliche Aufteilung des Summenstroms auf beide Wicklungen L1, L2 kann aber in jedem Betriebspunkt zusätzlich ein Energietransfer eingestellt werden, unabhängig von der Kraftrichtung des Aktors, bis eine Wicklung mit Maximalstrom betrieben wird. Ein Ausgleich über mehrere Aktoren, deren U_H-Endstufen-Anschlüsse verbunden sind, kann selbstverständlich weiterhin erfolgen. Es versteht sich, dass der Aktor auch mehr als zwei Wicklungen aufweisen kann, ohne das oben beschriebene Prinzip zu verlassen.
Auch bezüglich der Dynamik hat ein Aktor mit zwei unterschiedlich gepolten Wicklungen L1, L2 Vorteile. Es gibt jetzt in wesentlichen Wegbereichen für jede Kraftrichtung immer eine Wicklung, in der der Strombetrag schnell erhöht werden kann. In der anderen kann er dann schnell verkleinert werden. Einzige Ausnahme könnten die Wegbereiche um die Kommutierungslücken sein, wenn diese für die Teilmotore nicht zusammenfallen. Eine Strategie kann dann also darin bestehen, z. B. bei einer Anforderung zur Erhöhung des Kraftbetrags nur den Strom in der Wicklung mit negativem Strom betragsmäßig zu erhöhen, bei einer Anforderung zur Verkleinerung des Kraftbetrags dagegen nur den Strom in der Wicklung mit positivem Strom zu verkleinern. Als Konsequenz wird sich dann allerdings die Differenz der Strombeträge in beiden Wicklungen immer weiter vergrößern. Abhilfe kann ein Ausgleichs-Algorithmus bringen, der dann, wenn eine aus Dynamikanforderungen resultierende Differenz besteht, diese dadurch verkleinert, dass Stromänderungen in der für jede Wicklung "langsameren Richtung" überlagert mit den oben beschriebenen Anteilen angefordert werden.
Diese Algorithmen bewirken alle im Mittel eine Strombetragsdifferenz in den beiden Wicklungen, die größer Null ist und mit höherer Dynamik wächst. Zur Verlustminimierung und um zu vermeiden, dass eine Wicklung wesentlich früher eine Maximalstromgrenze erreicht als die andere, bietet es sich an, die stationären Stromsollwerte für beide Wicklungen nicht betragsmäßig gleich zu wählen, sondern so, dass erst mit einer gewissen, aus Dynamikanforderungen resultierenden Differenz die Strombeträge etwa gleich sind. Diese "stationäre Strombetragsdifferenz" kann z. B. konstant, von der Summe der Strombeträge abhängig, von den aufgrund der Soll-Hubkurve und Motordrehzahl abschätzbaren (mittleren) Stromgradienten abhängig oder adaptiv sein, d. h. aufgrund von den in einem oder mehreren früheren Zyklen tatsächlich aufgetretenen Strombetragsdifferenzen gewählt werden.
In den Regelalgorithmus kann – wie oben beschrieben – eine Regelung auf einen U_H-Sollwert integriert sein. Wird an U_H keine Batterie betrieben, die U_H einprägt, sondern nur Energiespeicher, die sich im weitesten Sinne wie Kondensatoren verhalten, muss der U_H-Sollwert kein Festwert sein, sondern kann z. B. betriebspunkt-abhängig vorgegeben werden. Für EVT kann dann z. B. in Betriebspunkten, in denen keine hohe Aktorstromdynamik erforderlich ist, U_H auf wirkungsgrad-günstigere kleinere Werte abgesenkt werden. Z. B. bei hohen Motordrehzahlen, wo höchste Dynamik gewünscht und der Wirkungsgrad zweitrangig ist, kann U_H auf seinen maximal zulässigen Wert geregelt werden.
Weitere Möglichkeiten, den Wirkungsgrad zu verbessern bzw. die Verlustleistung minimieren, hängen von den konkreten Verlusteigenschaften der Aktoren ab. Geht man im ersten Extrem davon aus, dass die ohmschen Verluste in den Wicklungen dominieren und die magnetischen Verluste zu vernachlässigen sind, ist es wegen der quadratischen Abhängigkeit der ohmschen Verluste vom Strom eine gute Strategie, die Sollströme möglichst gleichmäßig auf die möglichen Lasten zu verteilen, um möglichst ähnlich große Verluste in jeder Last zu erhalten. Geht man im anderen Extrem davon aus, dass die magnetischen Verluste dominieren und die ohmschen Verluste zu vernachlässigen sind, ist es eine gute Strategie, zu jeder zeit so viele Halbbrücken wie möglich abzuschalten (Zustand A in Tabelle 1), wobei die Soll-Ströme durch die an diese Halbbrücken angeschlossenen Lasten auf andere geeignete Lasten zu verteilen sind. In der Praxis wird man meist eine Kombination dieser beiden Strategien wählen.
Im EVT-Betrieb gibt es zum Beispiel folgende Abschaltmöglichkeiten:

a) Während einer Hubkurve wird die benötigte Kraft mit nur einer Wicklung erzeugt, bevorzugt mit der, die bei der gewünschten Kraftrichtung auch die für die U_H-Regelung benötigte Stromrichtung aufweist. Die andere Wicklung bleibt stromlos.
b) Wenn ein Aktor keine Kraft zu erzeugen braucht, können beide Wicklungen abgeschaltet werden, z. B. während der Geschlossen-Phase zwischen zwei Hubkurven.
c) Wenn ein Aktor z. B. in der Geschlossen-Phase eine Ventil schließende Kraft aufbringen soll, kann das durch Bestromung nur einer Wicklung erfolgen, bevorzugt mit der, die bei der gewünschten Kraftrichtung auch die für die UH-Regelung benötigte Stromrichtung aufweist. Die andere Wicklung bleibt stromlos.

Wenn in den Schaltungen gemäß den 1 und 2 rechts der Wicklungen auf den Anschluss von Komponenten außerhalb des Zylinderkopfes wie z. B. Generator oder Batterie verzichtet wird, ist dieses System – abgesehen von Steuerleitungen – nur über die U_K- und Masse-Leitung mit dem Bordnetz verbunden. Der Entstöraufwand ist im Vergleich zu konventionellen Voll-Brückenschaltungen gering, da die Aktorwicklungen selbst schon als Entstördrosseln wirken.
Bisher wurde davon ausgegangen, dass die erfindungsgemäße Leistungselektronik mit der kleineren Spannung U_K (hier U_K = 12 V bzw. 14 V) versorgt wird und intern eine höhere Spannung (hier U_H = 42 V, gegebenenfalls variabel) erzeugt. Mit den in den 1 und 2 dargestellten Anordnungen ist aber auch der umgekehrte Fall möglich, bei dem die Leistungselektronik mit der höheren Spannung U_H versorgt wird und die kleinere Spannung U_K intern erzeugt wird, sowie ein "gemischter Betrieb". Im Beispiel EVT könnte der 12 V-Generator z. B. durch einen 42 V-Generator ersetzt werden (gegebenenfalls mit 42 V-Batterie), der an U_H angeschlossen wird. Über S1 bzw. S2 und die Last in 1 kann dann weiterhin das 12 V-Bordnetz versorgt bzw. eine gegebenenfalls noch vorhandene 12 V-Batterie geladen werden.
Dann, wenn mehrere Endstufen mit ihren U_H- und/oder U_K-Anschlüssen verbunden sind, können z. B. die Stromwelligkeit und die EMV-Eigenschaften positiv beeinflusst werden, wenn die Schaltvorgänge unterschiedlicher Halbbrücken in geeigneter Weise synchronisiert werden. Falls z. B. in 2 gilt I1 = –I2 und S11 wird im Wesentlichen geschlossen, wenn auch S21 geschlossen ist (dann gilt entsprechendes auch für S12 und S22), fließen die Ströme im Wesentlichen "im Kreis" und weder C bzw. C3 noch C2 müssen diese zwischenspeichern. Letzteres wäre der Fall, wenn S11 und S21 mit jeweils gleichem Tastverhältnis, aber zu unterschiedlichen Zeiten, innerhalb der Periode geschlossen wären.
Im Normalfall erfordert die Ansteuer-Elektronik einer konventionellen Brücke oder Halbbrücke eine wesentlich kleinere Versorgungsspannung als U. Es besteht dann die Möglichkeit, die Spannung zum Betrieb der Ansteuerungselektronik aus U_H zu erzeugen (gegebenenfalls aufwendig und wirkungsgrad-ungünstig) oder einen zusätzlichen Anschluss z. B. der 12 V-Bordnetzspannung speziell zu diesem Zweck vorzusehen. Gibt es dagegen wie in der erfindungsgemäßen Leistungselektronik neben U_H sowieso noch eine kleinere Versorgungsspannung (hier U_K), bietet es sich an, diese als Versorgungsspannung der Ansteuer-Elektronik zu verwenden bzw. die Versorgungsspannung(en) der Ansteuer-Elektronik aus dieser zu erzeugen.

Claims

Vorrichtung (1) zur Ansteuerung einer induktiven Last (L), wobei die induktive Last (L) als Strom-Kraft-Wandler arbeitet, umfassend eine Halbbrückenschaltung, wobei in den Zweigen der Halbbrückenschaltung Schalter (S1, S2) angeordnet sind und die induktive Last (1) in der Brücke (2) angeordnet ist, wobei ein Anschluss der induktiven Last (L) zwischen den Schaltern (S1, S2) angeordnet ist und der andere Anschluss mit einem ersten Spannungsniveau (U_K) verbunden ist, wobei die Halbbrückenschaltung auf einem zweiten Spannungsniveau (U_H) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannungsniveau (U_K) kleiner als das zweite Spannungsniveau (U_H) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Spannungsniveau (U_K) ein Generator angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Halbbrückenschaltung mindestens ein Kondensator (C) und/oder parallel zur induktiven Last (L) und dem Schalter (S1) im oberen Zweig mindestens ein Kondensator (C3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur induktiven Last (L) und dem Schalter (S2) im unteren Zweig ein Kondensator (C2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C, C3) mit mehreren Halbbrückenschaltungen verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Spannungsregler-Schaltung für das zweite Spannungsniveau (U_H) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Last (L) durch mindestens zwei voneinander unabhängigen Wicklungen (L1, L2) gebildet wird, die unterschiedlich gepolt an die jeweilige Halbbrückenschaltung angeschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1, S2, S11, S12, S21, S22) als MOS-FETs ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mit einer Einrichtung zur Sensierung des Laststroms (I, I1, I2) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mit einer Einrichtung zur Erfassung und/oder Ermittlung von dem zweiten Spannungsniveau (U_H) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Spannungsniveau (U_H) eine Spannungsbegrenzerschaltung zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Halbbrückenschaltung eine Batterie angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mit einer Einschaltstrombegrenzung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere induktive Lasten (L) gruppenweise zusammengefasst werden, wobei jede Gruppe einen separaten Anschluss an das zweite Spannungsniveau (U_H) aufweist.
Verfahren zur Ansteuerung einer induktiven Last mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (I, I1, I2) durch die Last (L, L1, L2) durch wechselseitiges Schalten des oberen und unteren Schalters (S1, S2, S11, S12, S21, S22) geregelt oder gesteuert wird.