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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur oder
des Widerstands eines elektrischen Bauelements gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Steuergerät
mit einem Temperaturmodell gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 8.
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Magnetventile,
wie sie beispielsweise im Bremskreis von Kraftfahrzeugen eingesetzt
werden, umfassen eine Spule zum Erzeugen eines magnetischen Feldes,
mittels dessen ein Anker betätigt wird. Die Höhe
des Stromflusses bestimmt dabei die Stärke des magnetischen
Feldes und damit die Stellung des Ventils (Auf-, Zu- oder Zwischenstellung).
Der Stromfluss durch die Spule wird üblicherweise von einer
Ventil-Endstufe eingestellt, die im Wesentlichen einen Endstufen-Schalter
(MOSFET) umfasst, der von einer Treiber-Elektronik angesteuert wird.
Die Ansteuerung des Endstufen-Schalters erfolgt meist per PWM-Signal
(PWM: Pulsweitenmodulation).
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Während
der Ansteuerung eines Magnetventils, z. B. im Rahmen einer ESP-Regelung,
wird Verlustwärme erzeugt, die zu einer Erwärmung
des Magnetventils führt. Dadurch steigt der ohmsche Widerstand
des Ventils. Umgekehrt kühlt das Magnetventil im Ruhezustand
ab, wodurch auch der Widerstand sinkt. Bei einer Fahrzeugregelung
ergibt sich somit die Problematik, dass ein und dasselbe PWM-Signal
bei verschiedenen Ventiltemperaturen zu unterschiedlichen Ventilzuständen
führt. Dadurch wird die Genauigkeit des Regeleingriffs
beeinträchtigt.
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Um
dieses Problem zu beheben, ist es beispielsweise aus der
DE 10 2006 041 193
A1 bekannt, den Widerstand einer Magnetspule indirekt über
eine Spannungsmessung zu bestimmen und das Steuersignal (PWM) des
Magnetventils entsprechend nachzuregeln.
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Eine
Widerstandsmessung ist jedoch nur zu den Zeitpunkten möglich,
in denen das entsprechende Ventil nicht angesteuert wird. Während
der Ansteuerung des Ventils kann die Ventiltemperatur bzw. dessen
Widerstand dagegen nicht bestimmt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mittels dessen bzw. derer der
ohmsche Widerstand des elektrischen Bauelements auch während
einer Ansteuerphase des Ventils bestimmt werden kann.
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Gelöst
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die
im Patenanspruch 1 sowie in Patentanspruch 8 angegebenen Merkmale.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die Temperaturentwicklung
des elektrischen Bauelements mit Hilfe eines Modells zu schätzen,
das die thermophysikalischen Vorgänge im elektrischen Bauelement
abbildet. Zur Verbesserung der Genauigkeit des Temperaturmodells
wird vorgeschlagen, die Temperatur des elektrischen Bauelements
(oder einer Anordnung, die das Bauelement umfasst) zu bestimmten
Zeitpunkten direkt oder indirekt zu messen und das Temperaturmodell
auf Basis des bzw. der Messwerte zu korrigieren. Diese Korrektur
berücksichtigt vorzugsweise auch wenigstens einen Parameter
(KC, KH), der eine Funktion eines Temperaturhubs, nämlich
der Differenz zwischen einer modellbasiert geschätzten
Bauelement-Temperatur und einer Umgebungstemperatur, ist. Dies hat den
wesentlichen Vorteil, dass die Temperatur bzw. der Widerstand der
Magnetspule auch während der Ansteuerung des Ventils genau
bestimmt werden kann.
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Die
Bauelement-Temperatur wird vorzugsweise indirekt über den
Widerstand des Bauelements bestimmt, d. h. der Widerstandswert wird
einfach in eine Temperatur umgerechnet. Der Widerstand wird wiederum
aus einem Spannungsabfall am Bauelement bzw. einer das Bauelement
umfassenden Anordnung (ebenfalls indirekt) bestimmt. Aufgrund der eindeutigen
Zusammenhänge zwischen den genannten Größen
können sie einfach in eine andere umgerechnet werden. Die
Begriffe „Temperatur”, „Widerstand” und „Spannung” sind
daher synonym zu verstehen. Im Folgenden wird der Einfachheit halber
nur der Begriff Temperatur verwendet.
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Der
Parameter (KC, KH) wird vorzugsweise aus einer Kennlinie in Abhängigkeit
vom Temperaturhub ausgelesen. Die Kennlinie kann z. B. in einer
Offline-Simulation mit Hilfe eines Kalman-Filters erzeugt werden.
Die Kennlinie bildet die wesentlichen Eigenschaften eines echten
Kalman-Filters nach und hat insbesondere den Vorteil, dass das Auslesen
eines Parameters wesentlich weniger Rechenleistung benötigt
als ein echtes Kalman-Filter. Die Parameter KC, KH sind in diesem
Fall Filterparameter des Kalman-Filters.
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Gemäß der
Erfindung wird die Bauelement-Temperatur zu bestimmten Zeitpunkten,
z. B. alle 20s (vorzugsweise indirekt über eine Widerstandsmessung)
gemessen. Zwischen diesen Zeitpunkten wird die Bauelement-Temperatur
vorzugsweise mit Hilfe des Temperaturmodells geschätzt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Temperaturmodell,
wenn ein Messwert der Bauelement-Temperatur vorliegt, wie folgt
korrigiert: Tmod := Tmod + KC·(Tmess – Tmod)
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Dabei
ist Tmess die gemessene Bauelement-Temperatur
und KC ein aus einer Kennlinie ausgelesener Parameter. Links des
Gleichheitszeichens steht der neue Wert Tmod und
rechts der alte Wert Tmod. Die Kennlinie
ist vorzugsweise abhängig vom Temperaturhub, d. h. der
Differenz zwischen der modellbasierten Bauelement-Temperatur Tmod und einer Umgebungstemperatur TU.
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Die
Umgebungstemperatur TU wird vorzugsweise
ebenfalls mit Hilfe des Temperaturmodells geschätzt, könnte
aber auch gemessen werden. Im ersten Fall ist ein Temperaturmodell
für die Umgebungstemperatur vorgesehen. Dieses Modell wird
vorzugsweise auch auf Basis des bzw. der Messwerte korrigiert. Dabei
wird ferner einen Parameter (KH) berücksichtigt, der aus
einer Kennlinie ausgelesen wird, die eine Funktion des Temperaturhubs
ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Umgebungstemperatur
wie folgt korrigiert: TU:
= TU + KH·Summe(Tmess – Tmod).
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Dabei
ist Tmess die (direkt oder indirekt) gemessene
Bauelement-Temperatur und KH ein Parameter. Links des Gleichheitszeichens
steht der neue Wert TU und rechts der alte
Wert der Umgebungstemperatur TU.
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Die
vorstehend beschriebenen Algorithmen sind vorzugsweise in einem
Steuergerät hinterlegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen
beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schaltung zur Bestimmung des ohmschen Widerstands einer Spule eines
Magnetventils; und
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2 die wesentlichen Verfahrensschritte eines
Verfahrens zum Bestimmen des Widerstands einer Magnetspule mit Hilfe
eines Temperaturmodells.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
ein schematisches Schaltbild einer Ventil-Endstufe 1 für
zwei stromgesteuerte Ventile 9a, 9b, wie sie beispielsweise
in bekannten Kfz-Bremsanlagen verbaut sind. Von den Ventilen 9a, 9b sind
hier nur die zugehörigen Spulen 2a bzw. 2b dargestellt.
Die beiden parallel geschalteten Spulen 2a, 2b sind über
einen gemeinsamen Hauptschalter 3 mit einer Versorgungsspannung
U1 verbunden. Der Schalter 3 ist
im Normalbetrieb dauerhaft eingeschaltet und kann bei einem Fehler
an einem der Ventile 2a, 2b, oder im Falle einer
Widerstandsmessung der Ventil-Widerstände ausgeschaltet
werden. Im ersten Fall dient der Schalter 3 im Wesentlichen als
Sicherheitsschalter.
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Jedes
der Ventile 9a, 9b umfasst einen zugehörigen
Endstufen-Schalter 5a, 5b, der von einer Treiberelektronik
(Steuergerät 7) angesteuert wird. Die Endstufen-Schalter 5a, 5b werden
im Normalbetrieb mittels eines PWM-Signals PWM1, PWM2 angesteuert,
dessen Tastverhältnis den Stromfluss durch die Spulen 2a, 2b und
damit die Stellung des zugehörigen Ventils bestimmt.
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Da
der ohmsche Widerstand der Spulen 2a, 2b temperaturabhängig
ist, führt ein und dasselbe PWM-Signal im Falle unterschiedlicher
Ventil-Temperaturen zu unterschiedlichen Ventilzuständen.
Mit Hilfe einer Temperaturbestimmung der Ventile 9a, 9b ist
es möglich, die PWM-Signale PWM1, PWM2 nachzuregeln.
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Die
Ventiltemperatur wird hier indirekt über eine Widerstandsmessung
gemessen. Hierzu wird die an einem versorgungsseitigen Knoten D2
der Spulen 2a, 2b gegen Masse abfallende Spannung gemessen
und – mit Kenntnis des durch die Spulen 2a; 2b fließenden
Stroms – daraus ein Spulenwiderstand berechnet. Der Spulenwiderstand
kann wiederum in einfacher Weise in eine Temperatur umgerechnet
werden.
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Die
Widerstands-Messeinrichtung umfasst eine Stromquelle 6 und
einen Referenzwiderstand 4, der in Serie zu den Spulen 2a, 2b angeordnet
ist. Die Widerstandsmessung kann nur außerhalb einer Ansteuerung
der Endstufenschalter 5a, 5b durchgeführt werden,
da sie den Betrieb der Ventile 9a, 9b stören würde.
Im Messbetrieb ist der Hauptschalter 3 geöffnet,
so dass die Spulen 2a, 2b dann ausschließlich von
der Stromquelle 6 versorgt werden. Je nach Wunsch kann
nun durch entsprechende Ansteuerung der Endstufen-Schalter 5a, 5b die
Spannung Umess über die Spule 2a und
den Endstufen-Schalter 5a, über die Spule 2b und
den Endstufen-Schalter 5b oder der Spannungsabfall über
die gesamte, parallele Anordnung 2a, 2b, 5a, 5b gemessen
werden. Die Messspannung Umess ist dabei
ein Maß für den Widerstand der jeweiligen Messstrecke.
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Zum Überprüfen
des ersten Ventils 9a wird z. B. der zugehörige
erste Endstufen-Schalter 5a geschlossen (der andere Endstufen-Schalter 5b ist
geöffnet). Der von der Gleichstromquelle 6 eingeprägte Strom
I fließt dabei über den Referenzwiderstand 4, den
Messknoten D2 durch die Spule 2a und den Endstufen-Schalter 5a gegen
Masse. Dabei wird die am Knoten D2 abfallende Spannung gemessen.
Zum Überprüfen des zweiten Ventils 9b wird
der zugehörige Endstufen-Schalter 5b geschlossen
(der Schalter 5a ist geöffnet). Der von der Gleichstromquelle 6 eingeprägt
Strom I fließt in diesem Fall über den Referenzwiderstand 4 durch
die zweite Spule 2b und den Endstufen-Schalter 5 gegen
Masse. Dabei wird wiederum die am Knoten D2 abfallende Umess gemessen. Wahlweise könnten
auch beide Endstufen-Schalter 5a, 5b geschlossen
sein, um beide Ventile 9a, 9b gleichzeitig, parallel
zu überprüfen. Während dieser Messphase
bleibt der Schalter 3 geöffnet.
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Zum
Bestimmen des Spulenwiderstands der Spulen 2a, 2b werden
die in 2, Block 10 bis 12 dargestellten
Schritte ausgeführt. Gemäß Block 10 werden
zunächst die über einer der Spulen 2a, 2b als auch
die über dem Referenzwiderstand 4 abfallende Spannung
gemessen. Wenn der Referenzwiderstand ein Widerstand mit sehr geringen
Toleranzen ist, kann der von der Stromquelle 6 gelieferte
Strom I anhand der Spannungsmessung sehr genau bestimmt werden.
Diese Berechnung des Stromes I erfolgt in Block 11, 2. Aus der am Knoten D2 abfallenden Spannung
und dem zuvor bestimmten Stromwert I kann nun der Widerstand der
Spulen 2a oder 2b in Schritt 12 sehr
genau bestimmt werden. Das Ansteuersignal PWM1 bzw. PWM 2 der
Endstufen-Schalter 5a, 5b kann somit entsprechend
nachgeregelt werden.
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Die
Temperatur- bzw. Widerstandsmessung der Spulen 2a, 2b kann,
wie erwähnt, nur außerhalb der Ansteuerphasen
bestimmt werden. Um den Spulenwiderstand auch während der
Ansteuerphasen ermitteln zu können, ist hier ein mathematisches
Temperaturmodell 8 vorgesehen, das im Steuergerät 7 integriert
ist. Das Temperaturmodell 8 bildet die thermophysikalischen
Eigenschaften der Spulen 2a, 2b ab und umfasst
entsprechende mathematische Algorithmen. Um die Genauigkeit des
Temperaturmodells 8 zu verbessern, wird dieses regelmäßig
auf Basis von Temperatur-Messwerten korrigiert. Diese Korrektur
des Temperaturmodells 8 wird im Folgenden anhand der Blöcke 13 bis 18 näher
erläutert.
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In
Schritt 13 wird, wenn ein neuer Widerstands-Messwert vorliegt,
dieser Widerstands-Messwert in eine entsprechende Spulentemperatur
Tmess umgerechnet. Für die korrigierte
Temperatur Tmod gilt z. B.: Tmod := Tmod + KC·(Tmess – Tmod).
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Dabei
ist KC ein aus einer Kennlinie ausgelesener Wert, der abhängig
von einem Temperaturhub ist. Der Temperaturhub ist die Differenz
aus einer modellbasiert berechneten Spulentemperatur und einer modellbasiert
berechneten Umgebungstemperatur. Die genannte Kennlinie kann z.
B. in einer Offline-Simulation mit Hilfe eines Kalman-Filters berechnet
werden. Sie bildet daher die Eigenschaften eines echten Kalman-Filters
nach.
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Zur
Bestimmung der neuen, aktualisierten Spulentemperatur Tmod wird
in Schritt 14 zunächst der Temperaturhub bestimmt
und in Schritt 15 der Parameter KC aus der Kennlinie ausgelesen.
In Schritt 17 wird schließlich der aktualisierte
Temperaturwert Tmod gemäß vorstehender
Gleichung berechnet. Das Temperaturmodell 8 kann nun auf
den neuen Wert Tmod abgeglichen werden.
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Das
Temperaturmodell 8 umfasst vorzugsweise auch ein Modell,
das die Umgebungstemperatur der Ventile 2a, 2b modelliert
und insbesondere die Temperatur eines Kühlkörpers,
in dem die Ventile eingepresst sind, berechnet. Auch dieses zweite
Temperaturmo dell wird vorzugsweise von Zeit zu Zeit auf einen Referenzwert
kalibriert. Der Referenzwert wird vorzugsweise ebenfalls auf Basis
der gemessenen Bauelement-Temperatur Tmess berechnet
(Schritt 18). Es kann beispielsweise folgende Korrektur
durchgeführt werden: TU :=
TU + KH·Summe(Tmess – Tmod).
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Der
Parameter KH wird in Schritt 15 aus einer Kennlinie ausgelesen,
die eine Funktion des Temperaturhubs ist. Auch die KH-Kennlinie
wird vorzugsweise aus einer Simulation mit einem echten Kalman-Filter
gewonnen. Das Temperaturmodell 8 kann nun auf den neuen
Wert TU abgeglichen werden.
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Die
Schritte 15, 17 bzw. 16, 18 können
wahlweise auch sequenziell ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006041193
A1 [0004]