DE102008025216B4

DE102008025216B4 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Laden einer kapazitiven Last

Info

Publication number: DE102008025216B4
Application number: DE200810025216
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Augesky
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: DE102008025216A1

Abstract

Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last (P), insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, wobei die Last einen ersten Außenanschluss (A1) und einen zweiten mit einer elektrischen Masse (GND) verbundenen Außenanschluss (A2) aufweist, umfassend
– eine erste Spannungsquelle (2) zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse (GND) bezogenen ersten Spannung (Ub),
– eine zweite Spannungsquelle (3) zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse (GND) bezogenen zweiten Spannung (Uh), die kleiner als die erste Spannung (Ub) ist,
– einen ersten Schaltungsknoten (K1), der über einen ersten Schalter (S1) mit der ersten Spannung (Ub) und über eine erste Diode (D1) mit der zweiten Spannung (Uh) verbindbar ist,
– eine zwischen dem ersten Schaltungsknoten (K1) und dem ersten Außenanschluss (A1) der Last (P) angeordnete erste Stromeinstelleinrichtung (CS1), über welche die Last beim Aufladen bestromt wird, und
– einen zweiten Schaltungsknoten (K2), der über einen zweiten...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Laden einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine.
Derartige Schaltungsanordnungen und Verfahren sind beispielsweise aus der DE 199 44 733 A1 , der DE 198 14 594 A1 und der DE 199 52 950 A1 bekannt.
Die DE 100 27 013 A1 offenbart ein Verfahren zur Ladung bzw. Entladung von piezoelektrischen Bauelementen auf eine vorgegebene Spannung. Eine entsprechende Schaltung besteht aus einem Ladestromkreis und einem Entladestromkreis, wobei der Ladestromkreis aus einer Serienschaltung zumindest einer Spannungsquelle, eines Ladeschalters, eines Strombegrenzers und des Bauelements und der Entladestromkreis aus einer Serienschaltung zumindest des Bauelements, eines Entladeschalters und eines weiteren Strombegrenzers besteht. Zur Vereinfachung der elektronischen Schaltung ohne komplexe Regelung wird dort vorgeschlagen, dass der Lade bzw. Entladevorgang über einen konstanten Strom und einstellbare Lade- bzw. Entladezeiten erfolgt.
Die DE 101 20 944 A1 beschreibt eine Steuerschaltung für Piezoaktoren insbesondere Piezoventile, bei der eine Ladestromquelle zur Spannungsaufladung des Piezoaktors und eine Entladestromquelle zur Entladung des Piezoaktors vorgesehen sind. Die beiden Stromquellen sind mit einer Gegentaktschaltein richtung zur alternativen Aktivierung versehen. Durch die Stromquellen werden Stromspitzen vermieden, und es wird ein sanftes Anlegen des spannungsabhängig sich bewegenden Biegeelements des Piezoaktors erreicht.
Die DE 10 2005 042 108 A1 beschreibt eine Schaltung zum analogen Ansteuern einer kapazitiven Last mit einer Antriebsquelle) zum Bereitstellen einer Betriebsspannung oder eines Betriebsstromes zum Aufladen der kapazitiven Last, eine Schaltanordnung zum Laden und Entladen der Last, und eine Speicherkapazität zum Zwischenspeichern von Ladung von der Last während des Entladens der Last und zum Abgeben von zwischengespeicherter Ladung an die Last während des Ladens der Last. Bevorzugt wird dort entsprechend auch ein Verfahren zum analogen Ansteuern einer kapazitiven Last durch Anlegen einer Betriebsspannung oder eines Betriebsstromes einer Antriebsquelle zum Aufladen der kapazitiven Last an die Last und entladen der Last, wobei während einer ersten Entladephase Ladung der Last in eine Speicherkapazität zwischengespeichert wird und während einer ersten Ladephase zum Laden der Last Ladung aus der Speicherkapazität in die Last geladen wird.
Die DE 10 2004 040 073 A1 offenbart die Entladung eines Piezoaktors, ausgehend von einem Ladezustand, in welchem an einem ersten Piezoanschluss ein erstes Ansteuerpotenzial und an einem zweiten Piezoanschluss ein zweites Ansteuerpotenzial anliegt. Die Entladung wird dadurch beschleunigt, dass nicht nur mittels einer ersten Endladepassage das am ersten Piezoanschluss herrschende Potenzial in Richtung des zweiten Ansteuerpotenzials verändert wird, sondern auch eine zweite Entladepassage zwischen dem zweiten Piezoanschluss und einem Potenzial geschaffen wird, welches zwischen den beiden An steuerpotenzialen liegt. Durch eine geeignete Wahl der zeitlichen Abfolge bei der Bereitstellung dieser beiden Entladepassagen sowie derer elektrischer Eigenschaften lassen sich Entladeunstetigkeiten praktisch vollkommen vermeiden.
Insbesondere die in letzter Zeit strenger gewordenen Abgasnormen für Motoren haben in der Kraftfahrzeugindustrie die Entwicklung von Kraftstoffinjektoren mit schnell und verzögerungsfrei ansprechenden Stellgliedern bzw. Aktoren ausgelöst. Bei der praktischen Realisierung derartiger Stellglieder haben sich insbesondere piezoelektrische Elemente (kurz: Piezoaktoren) als vorteilhaft erwiesen.
Derartige Piezoelemente sind üblicherweise als ein Stapel von Piezokeramikscheiben zusammengesetzt, die über eine elektrische Parallelschaltung betrieben werden, um die für einen ausreichenden Hub notwendigen elektrischen Feldstärken erreichen zu können.
Beim Ansteuern einer kapazitiven Last wie eines Piezoaktors, der zur Betätigung eines Einspritzventils Verwendung findet, d. h. beim Aufladen und Entladen der kapazitiven Last mittels eines elektrischen Laststromes, werden erhebliche Anforderungen an die Ansteuerelektronik gestellt. Ein mittels eines Piezoaktors betätigtes Einspritzventil wird in Brennkraftmaschinen zum Einspritzen von Kraftstoff (z. B. Benzin, Diesel etc.) in einen Brennraum eingesetzt. Hierbei werden sehr hohe Anforderungen an ein exaktes und reproduzierbares Öffnen und Schließen des Ventils und damit auch an die Ansteuerelektro nik gestellt. So müssen dabei Spannungen im Bereich von bis zu mehreren 100 V und kurzzeitig Lastströme zum Laden und Entladen von mehr als 10 A bereitgestellt werden. Die Ansteuerung erfolgt meist in Bruchteilen von Millisekunden. Gleichzeitig sollte während dieser Ladevorgänge und Entladevorgänge der Strom und die Spannung dem Stellglied möglichst kontrolliert zugeführt werden.
Eine Gemeinsamkeit der oben erwähnten bekannten Schaltungsanordnungen und Verfahren besteht darin, dass mittels geschalteter Speicherinduktivitäten die Energie portionenweise transportiert wird. Damit sind zwar gute Wirkungsgrade erreichbar, allerdings mit sehr großem Bauelementeaufwand. Es treten auch wesentlich höhere kurzzeitige Ströme auf als der Mittelwert des in den Piezoaktor fließenden Stromes. Dies bedingt entsprechend hoch belastbare Bauelemente, beispielsweise Halbleiter-Schaltelemente, Kondensatoren und Induktivitäten.
Dies erfordert vergleichsweise große Baugruppen und stellt zudem erhebliche Ansprüche an die Komponenten- als auch Produktionstechnologien Darüber hinaus bedingt der geschaltete Betrieb der Ansteuerstufen zumeist einen hohen Aufwand für die Filterung/Unterdrückung der dabei entstehenden hochfrequenten Störungen, was bezüglich der elektromagnetischen Verträglich (EMV) problematisch ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last aufzuzeigen, mittels welchem ein guter Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem schaltungstechnischen Aufwand ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine. Die Last weist einen ersten Außenanschluss und einen zweiten Außenanschluss auf. Die Schaltungsanordnung enthält eine erste Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse bezogenen ersten Spannung und eine zweite Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse bezogenen zweiten Spannung, die kleiner als die erste Spannung ist.
Ein erster Schaltungsknoten ist über einen ersten Schalter mit der ersten Spannung und über eine erste Diode mit der zweiten Spannung verbindbar. Zwischen dem ersten Schaltungsknoten und dem ersten Außenanschluss der Last ist eine erste Stromeinstelleinrichtung, über welche die Last beim Aufladen bestromt wird, angeordnet. Ein zweiter Schaltungsknoten ist über ihren zweiten Schalter mit elektrischen Masse und über eine zweite Diode mit der zweiten Spannung verbindbar.
Zwischen dem zweiten Schaltungsknoten und dem ersten Außenanschluss der Last ist eine zweite Stromeinstelleinrichtung über welche die Last beim Aufladen bestromt wird, angeordnet. Eine Steuereinrichtung ist zur Ansteuerung der Schalter und der ersten Stromeinstelleinrichtung und der zweiten Stromeinstelleinrichtung derart vorgesehen, dass während einer ersten Aufladephase die Last aus der zweiten Spannung teilweise aufgeladen wird. Während einer zweiten Aufladephase ist der erste Schalter geschlossen, um die Last aus der ersten Spannung weiter aufzuladen.
Während einer ersten Entladephase wird die Last in die zweite Spannung teilweise entladen, und während einer zweiten Entladephase ist der zweite Schalter geschlossen, um die Last in die elektrische Masse weiter zu entladen.
Mit dieser Schaltungsanordnung werden die positiven Eigenschaften einer ”linearen Endstufe”, d. h. einer Bestromung der kapazitiven Last aus einer einstellbaren Stromquelle, mit dem hohen Wirkungsgrad einer ”geschalteten Endstufe” verbunden. In der geschalteten Endstufe, die die zweite Spannung Uh erzeugt, kann z. B. eine Induktivität als Energiespeicher im Zuge einer Umschwingfunktion genutzt werden, bei welcher Energieportionen transportiert werden.
Wie es aus den unten noch detailliert beschriebenen Ausführungsbeispielen hervorgeht, ist bei der Erfindung die Verwendung einer Speicher- bzw. Umschwinginduktivität entbehrlich. Dennoch ist ein hoher Wirkungsgrad erzielbar, insbesondere weil ein während der ”ersten Entladephase” fließender Laststrom zur Rückspeisung von elektrischer Energie in die ”zweite Spannungsquelle” genutzt wird und weil durch das Umschalten zwischen den beiden unterschiedlichen Spannungen die Verluste in der Stromeinstelleinrichtung reduziert sind. Damit können Bauelemente wie Kondensatoren und Halbleiter-Schaltelemente mit geringerer Belastbarkeit ausgelegt werden.
Bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Grundidee ist von wesentlicher Bedeutung, dass jeder Aufladevorgang wie auch jeder Entladevorgang nicht aus bzw. in eine einzige Spannungsversorgung in einem kontinuierlichen Vorgang erfolgt, sondern in zwei zeitlich aufeinander folgenden Phasen. Ein Aufladen und nachfolgendes Entladen, wie es z. B. zur Ansteuerung eines piezobetätigten Kraftstoff-Einspritzventils einer Brennkraftmaschine zum Bewirken eines Einspritzvorganges erforderlich ist, gliedert sich gemäß der Erfindung in eine erste Aufladephase, eine zweite Aufladephase, eine erste Entladephase und eine zweite Entladephase.
Insbesondere bei einer Anwendung im Bereich der Automobilelektronik (z. B. zur Ansteuerung eines piezobetätigten Kraftstoff-Einspritzventils) können die beiden Spannungsquellen, welche die erste Spannung und die zweite Spannung bereitstellen z. B. durch DC/DC-Spannungswandler gebildet sein. Beispielsweise kann damit eine Bordspannung, z. B. 12 V oder 24 V, in eine oder zwei größere Spannungen gewandelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Spannung beispielsweise größer als 100 V und/oder ist die zweite Spannung größer als 50 V. Die zweite Spannung kann beispielsweise kleiner als 70%, insbesondere kleiner als 60%, der ersten Spannung vorgesehen sein.
Im Vergleich zu abgewandelten Schaltnetztopologien mit relativ hohen schaltungstechnischen Aufwand und mit vergleichsweise teuren und großen induktiven und kapazitiven Bauteilen und mit Störungen im Funkwellenbereichen kann mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der schaltungstechnische Aufwand verringert werden und gleichzeitig werden die Störungen z. B. auf den Versorgungsleitungen vermindert.
Durch die Auftrennung des Aufladepfads und des Entladepfads in zwei unabhängige Pfade wird ermöglicht, die Verbindung zu der zweiten Spannungsquelle durch zwei einfache Dioden zu bewirken. Dies erspart nicht nur den Aufwand an Halbleiterschalter, sondern auch die Notwendigkeit einer Ansteuerung bidirektionaler Schalter entfällt. Es wird automatisch durch Betätigen der des Schalter S1 und S2 der Pfad von den Schaltungsknoten zur zweiten Spannungsquelle, der Hilfsspannungsquelle Uh, unterbrochen.
Darüber hinaus ist auch die Realisierung der beiden unabhängigen Stromquellen einfacher, als eine bidirektional wirkende. Die Anzahl der den Strom steuernden Leistungshalbleiter ist dabei gleich, die Ansteuerschaltung bei einer Auftrennung wegen der definierteren Bezugspotentiale einfacher.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stromeinstelleinrichtung als Transistor, z. B. Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor, ausgebildet ist, dessen Steueranschluss (Gate bzw. Basis) mit einem Ansteuersignal zur Festlegung des durch den Transistor fließenden Stromes beaufschlagt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens einer der ersten Schalter und zweiten Schalter, insbesondere beide Schalter, jeweils als Transistor ausgebildet. Bevorzugt werden die Schalter von einer Steuereinrichtung angesteuert, welche auch die Stromeinstelleinrichtung zur Festlegung des gelieferten Stromes ansteuert (etwa durch Ausgabe von Steuerspannungen für die betreffenden Transistoren).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Messschaltung zum Messen des Stroms durch die Stromeinstelleinrichtung vorgesehen und die Steuereinrichtung ist zur Ansteuerung der ersten Stromeinstelleinrichtung und der zweiten Stromeinstelleinrichtung, derart vorgesehen, dass der Strom durch die Stromstellereinrichtungen mit Hilfe einer Messschaltung geregelt wird. Mittels dieser Regelung wird der Strom in die Last genau eingestellt, wodurch hochfrequente Störungen gar nicht erst entstehen können.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Spannungsquelle von einem Kondensator gebildet, der beispielsweise die zweite Spannung an einem seiner Anschlüsse bereitstellen kann, wobei bevorzugt dessen anderer Anschluss mit der ersten Spannung verbunden ist. In dem Kondensator kann ein Gleichgewicht zwischen entnommener und rückgespeister Energie einstellt werden, wobei dieses Gleichgewicht nahezu im energetischen Optimum liegen kann. Dadurch wird die Aufladeenergie und die Entladeenergie zu einem großen Teil wiederverwendet werden.
In einer Ausführungsform ist die Stromeinstelleinrichtung als ein gesteuerter Widerstand ausgebildet, durch dessen Laststrecke der Ladestrom fließt. Ein gesteuerter Widerstand kann sehr genau über einen großen Widerstandsbereich linear eingestellt werden, sodass während des gesamten Aufladevorgangs beziehungsweise Entladevorgangs die Ladecharakteristik eingestellt werden kann.
Alternativ enthält die Stromeinstelleinrichtung einen Transistor, durch dessen Laststrecke der Ladestrom fließt. Die Verwendung eines Transistors hat den Vorteil, dass er schnell reagieren kann und somit Änderungen in der Last oder in der Versorgung schnell ausgeglichen werden können.
Vorzugsweise wird der Strom beim Laden so angesteuert, dass der Transistor im linearen Arbeitsbereich arbeitet. Die Kennlinie eines Transistors wird in einen linearen Bereich und einen Sättigungsbereich unterteilt. Im linearen Arbeitsbereich kann der Widerstand der Laststrecke kontinuierlich eingestellt werden, was eine genaue Regelung des Stroms erlaubt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Sollwertgeber zum Vorgeben eines im allgemeinen Fall über der Zeit variablen, im speziellen auch konstanten, Referenzwertes für den Ladestrom durch die Stromeinstelleinrichtung vorgesehen. Anhand eines Vergleichs des Sollwerts mit dem momentan in die Last fließenden Strom während der Aufladung bzw. Entladung, ermöglicht ein einfacher Istwert/Sollwert-Vergleich, ob die Stromeinstelleinrichtung weiter aufgesteuert werden soll oder geschlossen werden soll.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine. Bei diesem Verfahren wird eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zunächst bereitgestellt. Der Strom durch die erste Stromeinstelleinrichtung, der während des Aufladens durch die Last fließt, wird so eingestellt, dass während einer ersten Aufladephase die Last aus der zweiten Spannung teilweise aufgeladen wird. Während einer zweiten Aufladephase wird die Last aus der ersten Spannung weiter aufgeladen wird.
Der Strom durch die zweite Stromeinstelleinrichtung, der bei Entladen durch die Last fließt, wird so eingestellt, dass während einer ersten Entladephase die Last in die zweite Spannung teilweise entladen wird, und während einer zweiten Entladephase die Last in die elektrische Masse weiter entladen wird.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass die über den Stromeinstelleinrichtungen anliegenden Spannungen während der Ladephasen verringert werden. Dadurch sinkt die Verlustleistung, die von den Stromeinstelleinrichtungen erzeugt wird, was wichtig in der Anwendung ist, da bei zu großer Verlustleistung das Steuergerät aufgrund der zu hohen Temperaturen ausfallen kann.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher veranschaulicht. Dabei zeigen
1 eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Piezoaktors,
2 Spannungsverläufe an ausgewählten Knoten der Schaltungsanordnung während des Aufladens des Piezoaktors,
3 Spannungsverläufe an ausgewählten Knoten der Schaltungsanordnung während des Entladens des Piezoaktors.
1 zeigt eine Schaltungsanordnung (Endstufe) 10 zur Ansteuerung eines Piezoaktors P eines Krafstoff-Einspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Ansteuerung erfolgt durch Aufladen und Entladen des eine kapazitive Last darstellenden Piezoaktors P.
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst eine erste Spannungsquelle 2 zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse GND bezogenen ersten Spannung Ub und eine zweite Spannungsquelle 3 zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse GND bezogenen zweiten Spannung Uh, die kleiner als die erste Spannung Ub ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt Ub z. B. etwa 200 V und Uh etwa 100 V.
Ein erster Schaltungsknoten K1 ist über einen ersten Schalter S1 mit der ersten Spannung Ub und über eine erste Diode D1 mit der zweiten Spannung Uh verbindbar. Dabei ist die Anode mit der Spannung Uh und die Kathode der ersten Diode D1 mit dem ersten Schaltungsknoten K1 verbunden.
Ein zweiter Schaltungsknoten K2 ist über einen zweiten Schalter S2 mit der Masse GND verbindbar. Die Schaltvorgänge im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 werden unten noch detailliert beschrieben und werden durch eine Steuereinrichtung SE bewirkt, welche hierfür Steuersignale s1 für den Schalter S1 und s2 für den Schalter S2 erzeugt und ausgibt. Die Schalter S1 und S2 bei diesem Ausführungsbeispiel durch Schalttransistoren, z. B. MOSFETs gebildet, deren Steueranschlüsse, z. B. Gate oder Basis, mit dem Ansteuersignal s1 bzw. s2 versorgt werden. Ein Steueranschluss bewirkt entweder ein Öffnen oder ein Schließen des jeweiligen Schalters.
Der Piezoaktor P ist an Ausgangsanschlüssen A1 und A2 an die Schaltungsanordnung 10 angeschlossen. Der Ausgangsanschluss A2 ist mit einem ersten Anschluss eines Messwiderstands Rs verbunden, dessen zweiter Anschluss mit der Masse GND verbunden ist, während der Ausgangsanschluss A1 mit einem ersten Anschluss der Laststrecke der ersten Stromeinstelleinrichtung in Form einer Stromquelle CS1 verbunden ist. Über diese Stromquelle wird der Piezoaktor P beim Aufladen bestromt. Die erste Stromquelle CS1 ist mit ihrer Laststrecke zwischen den ersten Schaltungsknoten K1 und den Außenanschluss A1 des Piezoaktors P vorgesehen. Unter Laststrecke wird der Pfad in der Stromquelle verstanden, über den der Großteil des Stroms fließt, beispielsweise der Source-Drain-Pfad eines MOSFETs oder der Emitter-Kollektor-Pfad eines bipolaren Transistors.
Zudem ist in der Schaltungsanordnung 10 eine zweite Stromeinstelleinrichtung in Form einer zweiten Stromquelle CS2 vorgesehen, über welche der Piezoaktor P beim Entladen bestromt wird. Die zweite Stromquelle CS2 ist mit ihrer Laststrecke zwischen den zweiten Schaltungsknoten K2 und den Außenanschluss A1 des Piezoaktors P vorgesehen.
Die erste Stromquelle CS1 und die zweite Stromquelle CS2 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls als Transistoren ausgebildet, deren Steueranschlüsse mit einem Ansteuersignal sip1 bzw. sip2 beaufschlagt werden, welche ebenfalls von der Steuereinrichtung SE erzeugt werden. Anders als die Ansteuersignale s1 bis s2 wird mit dem Ansteuersignal sip1 und sip2 kein bloßes Einschalten oder Ausschalten der betreffenden Transistoren bewirkt. Vielmehr wird ein bestimmter Laststrom Ip1 bzw. Ip2 beim Aufladen beziehungsweise Entladen eingestellt. Die Transistoren der Stromquellen werden dabei so angesteuert, dass sie im linearen Bereich der Transistorkennlinie arbeiten. In diesem Bereich kann der Widerstand der Laststrecke mit hinreichender Genauigkeit eingestellt werden.
Die Ströme durch die Stromquellen CS1 und CS2 werden geregelt. Zu diesem Zweck ist ein Messwiderstand Rs zwischen den Außenanschluss A2 des Piezoaktors P und der Masse GND vorgesehen. Die über diesem Widerstand Rs abfallende Spannung wird gemessen, aus diesem Spannungswert der Strom durch den Widerstand berechnet. Dieser berechnete Stromwert wird mit einem vom Sollwertgeber 6 vorgegebenen Sollwert für den Strom verglichen und entsprechend die erste Stromquelle CS1 oder die zweite Stromquelle CS2 angesteuert. In dem gezeigten Beispiel werden die Stromquellen CS1 und CS2 nur einzeln und nicht gleichzeitig betrieben, so dass zu jeder Zeit ersichtlich ist, durch welche der Stromquellen CS1 und CS2 der Strom fließt.
Die zweite Spannungsquelle 3 enthält einen Kondensator, in den die Aufladeströme und Entladeströme geleitet werden. Es ist zusätzlich eine Steuerschaltung vorgesehen, die überprüft, ob die zweite Spannung Uh im richtigen Bereich liegt. Mittels des Kondensator wird die Energie aus den Aufladeströmen und Entladeströmen wiederverwendet.
Nachfolgend wird unter Heranziehung auch der 2 die Ansteuerung des Piezoaktors P mittels der Schaltungsanordnung 10 beschrieben. In 2 werden die Verläufe der Spannung Uk1 an dem Schaltungsknoten K1 und der Spannung Up über dem Piezoaktor P über der Zeit gezeigt.
Der Aufladevorgang ist in zwei Phasen unterteilt. In der ersten Aufladephase a sind die beiden Schalter S1 und S2 geöffnet. Die erste Stromquelle CS1 wird so gesteuert, dass der Strom IA durch die Laststrecke der ersten Stromquelle CS1 konstant ist und somit sich ein linearer Anstieg der Spannung Up am Piezoaktor P ergibt. Der Strom IA fließt dabei von der zweiten Spannungsquelle 3, durch die erste Diode D1, den ersten Schaltungsknoten K1, die erste Stromquelle CS1 in den Piezoaktor. Die Spannung UK1 an dem ersten Spannungsknoten K1 beträgt Uh minus die Durchlassspannung der ersten Diode D1.
In der zweiten Aufladephase wird der erste Schalter S1 geöffnet und die Spannung Uk1 steigt auf Ub an. Die erste Stromquelle CS1 wird weiter so angesteuert, dass der Strom durch ihre Laststrecke konstant ist und die Spannung Up am Piezoaktor P weiter ansteigt, bis sie eine Spannung erreicht hat, die etwas kleiner als die erste Spannung Ub ist.
In 3 sind die Spannung Up am Piezoaktor P und die Spannung Uk2 am zweiten Schaltungsknoten K2 beim Entladen gezeigt. Die Entladung wird auch in zwei Phasen unterteilt, wobei in der ersten Entladephase c die Schalter S1 und S2 geöffnet bleiben. Die zweite Stromquelle CS2 wird so angesteuert, dass sie den Piezoaktor derart entlädt, dass die Spannung Up linear absinkt. Der Strom fließt von Piezoaktor P, durch die zweite Stromquelle CS2, den Schaltungsknoten K2, die zweite Diode D2 in die zweite Spannungsquelle 3 zurück.
In der zweiten Entladephase d, die beginnt, wenn die Spannung Up einen Wert, der etwas größer als Uh ist, unterschritten hat, wird der zweite Schalter S2 geschlossen. Die zweite Stromquelle CS2 wird weiterhin so angesteuert, dass die Spannung Up weiter linear abnimmt. Der Entladestrom fließt nun durch vom Piezoaktor P durch die zweite Stromquelle CS2, den zweiten Schaltungsknoten K2 und den zweiten Schalter S2 zur Masse GND.

Claims

Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last (P), insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, wobei die Last einen ersten Außenanschluss (A1) und einen zweiten mit einer elektrischen Masse (GND) verbundenen Außenanschluss (A2) aufweist, umfassend – eine erste Spannungsquelle (2) zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse (GND) bezogenen ersten Spannung (Ub), – eine zweite Spannungsquelle (3) zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse (GND) bezogenen zweiten Spannung (Uh), die kleiner als die erste Spannung (Ub) ist, – einen ersten Schaltungsknoten (K1), der über einen ersten Schalter (S1) mit der ersten Spannung (Ub) und über eine erste Diode (D1) mit der zweiten Spannung (Uh) verbindbar ist, – eine zwischen dem ersten Schaltungsknoten (K1) und dem ersten Außenanschluss (A1) der Last (P) angeordnete erste Stromeinstelleinrichtung (CS1), über welche die Last beim Aufladen bestromt wird, und – einen zweiten Schaltungsknoten (K2), der über einen zweiten Schalter (S2) mit elektrischen Masse (GND) und über eine zweite Diode (D1) mit der zweiten Spannung (Uh) verbindbar ist, – eine zwischen dem zweiten Schaltungsknoten (K2) und dem ersten Außenanschluss (A1) der Last (P) angeordnete zweite Stromeinstelleinrichtung (CS2), über welche die Last (P) beim Entladen bestromt wird, und – eine Steuereinrichtung (SE) zur Ansteuerung der Schalter (S1 und S2) und der ersten Stromeinstelleinrichtung (CS1) und der zweiten Stromeinstelleinrichtung (CS1), derart, dass a) während einer ersten Aufladephase (a) die Last (P) aus der zweiten Spannung (Uh) teilweise aufgeladen wird, b) während einer zweiten Aufladephase (b) der erste Schalter (S1) geschlossen ist, um die Last (P) aus der ersten Spannung (Ub) weiter aufzuladen, c) während einer ersten Entladephase (c) die Last (P) in die zweite Spannung (Uh) teilweise zu entladen, und d) während einer zweiten Entladephase (d) der zweite Schalter (S2) geschlossen ist, um die Last (P) in die elektrische Masse (GND) weiter zu entladen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei eine Messschaltung (5) zum Messen des Stroms durch die Stromeinstelleinrichtung (CS1, CS2) vorgesehen ist, und die Steuereinrichtung (SE) zur Ansteuerung der ersten Stromeinstelleinrichtung (CS1) und der zweiten Stromeinstelleinrichtung (CS2) derart vorgesehen ist, dass der Strom durch die Stromstellereinrichtungen (CS1 und CS2) mit Hilfe der Messschaltung (5) geregelt wird.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Spannungsquelle (3) von einem Kondensator (Ch) gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die zweite Spannung (Uh) an einem Anschluss des Kondensators (Ch) bereitgestellt wird, dessen anderer Anschluss mit der ersten Spannung (Ub) oder mit elektrischer Masse (GND) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromeinstelleinrichtung (CS1) und die zweite Stromeinstelleinrichtung (CS2) jeweils als gesteuerter Wider stand ausgebildet sind, durch dessen Laststrecke der Ladestrom (IA, IE) fließt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode der ersten Diode (D1) mit der zweiten Spannung (Uh) verbunden ist, die Kathode der ersten Diode (D1) mit dem ersten Schaltungsknoten (K1) verbunden ist, die Anode der zweiten Diode (D2) mit dem zweiten Schaltungsknoten (K2) verbunden ist und die Kathode der zweiten Diode (D2) mit der zweiten Spannung (Uh) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwertgeber (6) zum Vorgeben eines zeitvariablen, im speziellen Fall konstanten, Referenzwertes für den Ladestrom (IA, IE) durch die Stromeinstelleinrichtungen (CS1, CS2) vorgesehen ist.
Verfahren zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last (P), insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, umfassend – Bereitstellen einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – Einstellung eines Stromes (IA) durch die erste Stromeinstelleinrichtung (CS1), der beim Aufladen durch die Last (P) fließt, derart, dass a) während einer ersten Aufladephase (a) die Last (P) aus der zweiten Spannung (Uh) teilweise aufgeladen wird, b) während einer zweiten Aufladephase (b) die Last (P) aus der ersten Spannung (Ub) weiter aufgeladen wird, – Einstellung eines Stromes (IE) durch die zweite Stromeinstelleinrichtung (CS2), der beim Entladen durch die Last (P) fließt, derart, dass c) während einer ersten Entladephase (c) die Last (P) in die zweite Spannung (Uh) teilweise entladen wird, und d) während einer zweiten Entladephase (d) die Last (P) in die elektrische Masse (GND) weiter entladen wird.