DE102008054410B4

DE102008054410B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Energieversorgungssystems für ein Einspritzsystem

Info

Publication number: DE102008054410B4
Application number: DE102008054410.8A
Authority: DE
Inventors: Nils Draese; Ulrich Mall; Jens-Holger Barth; Stefan Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: DE102008054410A1; WO2010066574A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieversorgungssystems (100) für ein Einspritzsystem, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Energieversorgungssystem (100) einen Spannungswandler (110), insbesondere einen Gleichspannungswandler, aufweist, wobei ein die Auslastung des Spannungswandlers (110) charakterisierendes Lastsignal (L) ausgewertet wird, um auf einen Betriebszustand des Energieversorgungssystems (100) zu schließen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Ansteuertakten gezählt wird, mit denen zumindest eine Komponente des Spannungswandlers (110), insbesondere ein Halbleiterschalter (111), während eines vorgebbaren Beobachtungszeitraums, insbesondere eines Arbeitszyklus des Einspritzsystems, angesteuert wird, und dass das Lastsignal (L) in Abhängigkeit der Anzahl von Ansteuertakten ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieversorgungssystems für ein Einspritzsystem, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Energieversorgungssystem einen Spannungswandler, insbesondere einen Gleichspannungswandler, aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Betreiben eines derartigen Energieversorgungssystems.
Aus der DE 102 10 163 A1 ist bereits ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem vorgesehen ist, eine maximal mögliche Anzahl von Teileinspritzungen in Abhängigkeit eines Ladezustands eines Pufferkondensators eines elektrischen Energieversorgungssystems zu begrenzen. Die Begrenzung der maximalen Anzahl von Teileinspritzungen in Abhängigkeit des Ladezustands des Pufferkondensators bedingt den Nachteil, dass bei einer verhältnismäßig groß gewählten Entscheidungsschwelle für den Ladezustand nur eine unzureichende Ausnutzung der Ressourcen des elektrischen Energieversorgungssystems erfolgt. D.h., obwohl der Pufferkondensator noch relativ stark aufgeladen ist, wird die Einspritzung möglicherweise begrenzt. Bei einer deutlich geringer gewählten Entscheidungsschwelle für den Ladezustand ist dagegen nicht mehr sichergestellt, dass das System auch mit einer begrenzten Anzahl von Teileinspritzungen noch betriebsfähig ist, weil der Pufferkondensator bereits zu stark entladen sein könnte. Darüberhinaus erlaubt die Analyse des Ladezustands des Pufferkondensators keine präzise Aussage über andere Komponenten des Energieversorgungssystems.
DE 102 34 098 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines Gleichspannungswandlers für wenigstens zwei elektromagnetische Ventile einer Brennkraftmaschine.
US 2006/198173 A1 beschreibt eine Steuerschaltung für einen Leistungswandler mit einem Halbleiterschalter vom Verarmungstyp und ein Betriebsverfahren hierfür.
US 4 576 135 A beschreibt eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Leistungswandler zum Erzeugen eines stabilen Hochspannungs-Gleichstromsignals zum Antreiben der Kraftstoffeinspritzvorrichtung.
DE 100 35 388 A1 beschreibt eine Stromschaltanordnung mit einer feldgesteuerten Halbleiterschalteinrichtung.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine präzisere Erkennung eines Betriebszustands des elektrischen Energieversorgungssystems und dadurch auch eine verbesserte Ausnutzung des elektrischen Energieversorgungssystems möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Betrachtung des die Auslastung des Spannungswandlers charakterisierenden Lastsignals ist eine genauere Beurteilung des Betriebszustands des elektrischen Energieversorgungssystems möglich als bei dem herkömmlichen Verfahren, das nur den Ladezustand eines Pufferkondensators auswertet. Insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Verfahren bereits dann eine übermäßig hohe Auslastung des elektrischen Energieversorgungssystems erkannt werden, wenn der Pufferkondensator selbst noch relativ stark aufgeladen ist. Dadurch ist bereits sehr frühzeitig ein möglicherweise kritischer Betriebszustand des elektrischen Energieversorgungssystems erkennbar.
Eine besonders einfache Erkennung des Betriebszustands des elektrischen Energieversorgungssystems ist einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zufolge dadurch möglich, dass zumindest eine Komponente des Spannungswandlers, insbesondere ein Halbleiterschalter, mit einer vorgebbaren Taktfrequenz betrieben wird, und dass das Lastsignal in Abhängigkeit der Taktfrequenz ermittelt wird. Diese Erfindungsvariante kommt besonders vorteilhaft dann zum Einsatz, wenn das Energieversorgungssystem einen in Abhängigkeit der zu bereitstellenden elektrischen Energiemenge getakteten Spannungswandler aufweist.
Eine weitere Steigerung der Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist dadurch gegeben, dass das Lastsignal in Abhängigkeit einer Temperatur mindestens einer Komponente des Energieversorgungssystems ermittelt wird. Bevorzugt wird die Temperatur eines Leistungshalbleiterbauelements des elektrischen Energieversorgungssystems betrachtet.
Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass eine Anzahl von Ansteuertakten gezählt wird, mit denen zumindest eine Komponente des Spannungswandlers, insbesondere ein Halbleiterschalter, während eines vorgebbaren Beobachtungszeitraums, insbesondere eines Arbeitszyklus des Einspritzsystems, angesteuert wird, und dass das Lastsignal in Abhängigkeit der Anzahl von Ansteuertakten ermittelt wird. Hierbei wird die Ermittlung des die Auslastung des Spannungswandlers charakterisierenden Lastsignals reduziert auf einen einfachen Zählvorgang, der besonders effizient in einem bestehenden Steuergerät implementiert werden kann. Beispielsweise kann das die Auslastung des Spannungswandlers charakterisierende Lastsignal auch als Prozentwert ermittelt werden.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass das Lastsignal mit einem vorgebbaren Maximalwert für das Lastsignal verglichen wird, und dass in Abhängigkeit des Vergleichs eine erste Fehlerreaktion eingeleitet wird und/oder dem Einspritzsystem eine geringere elektrische Leistung zur Verfügung gestellt wird, vorzugsweise durch Limitieren einer Anzahl von Teileinspritzungen je Arbeitszyklus.
Da es sich bei dem erfindungsgemäß ermittelten Lastsignal üblicherweise um eine relative Größe handelt, auf deren Basis allein nicht bereits eine Angabe über die tatsächlich von dem elektrischen Energieversorgungssystem bereitgestellte bzw. dissipierte Leistung gemacht werden kann, ist bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass ein aktueller Leistungsbedarf mindestens eines Aktors des Einspritzsystems ermittelt wird, dass der aktuelle Leistungsbedarf mit einer maximal zulässigen Ausgangsleistung des Spannungswandlers verglichen wird, und dass in Abhängigkeit des Vergleichs eine zweite Fehlerreaktion eingeleitet wird und/oder dem Einspritzsystem eine geringere elektrische Leistung zur Verfügung gestellt wird, was vorzugsweise wiederum durch das Limitieren einer Anzahl von Teileinspritzungen je Arbeitszyklus erfolgen kann.
Da der Energiebedarf einer Einspritzung nur sehr schwer abschätzbar ist, sollte das Ziel der Systemauslegung sein, die Abschaltung von Einspritzungen zu vermeiden. Die Erfindung dient dann dazu, die ungewollten Systemzustände zu vermeiden.
Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Betrachtung des Lastsignals kombiniert mit der vorstehend beschriebenen Ermittlung des aktuellen Leistungsbedarfs des Einspritzsystems. Durch eine derartige kombinierte Betrachtung kann sowohl ein Leerlaufen eines Pufferkondensators des elektrischen Energieversorgungssystems verhindert werden, der eine von dem Spannungswandler gelieferte Ausgangsspannung puffert, als auch eine thermische Überlast des elektrischen Energieversorgungssystems aufgrund einer zu hohen abgegebenen bzw. umgesetzten elektrischen Leistung.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 6 angegeben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen und dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:

1 ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform des elektrischen Energieversorgungssystems, und
2 ein Funktionsdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.

1 zeigt ein elektrisches Energieversorgungssystem 100 für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Das Energieversorgungssystem 100 weist einen Gleichspannungswandler 110 auf und eine Vorrichtung 20 zur Steuerung des Energieversorgungssystems 100 bzw. insbesondere auch des Gleichspannungswandlers 110.
Der Gleichspannungswandler 110 dient in an sich bekannter Weise dazu, aus einer Eingangsgleichspannung U1, bei der es sich beispielsweise um eine Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs handeln kann, eine in der Regel höhere Ausgangsgleichspannung U2 zu erzeugen. Die Ausgangsgleichspannung U2 wird durch den in 1 abgebildeten Pufferkondensator C gepuffert und auf diese Weise für eine nicht abgebildete Endstufe des Kraftstoffeinspritzsystems bereitgestellt, die beispielsweise piezoelektrische Aktoren von Kraftstoffeinspritzventilen mit der Ausgangsspannung U2 beaufschlagt.
Zur Erzeugung der Ausgangsspannung U2 weist der Spannungswandler 110 einen Halbleiterschalter 111 auf, der in an sich bekannter Weise durch die Vorrichtung 20 getaktet angesteuert wird, vergleiche das Ansteuersignal CLK.
Zur Überwachung der Ausgangsspannung U2 an dem Pufferkondensator C weist die Vorrichtung 20 einen Spannungsüberwachungseingang U auf, der, wie aus 1 ersichtlich ist, mit einem nicht näher bezeichneten Spannungsteiler verbunden ist, um die an dem Pufferkondensator C anliegende Ausgangsspannung U2 in eine Teilspannung zu transformieren, die an den Messbereich des Spannungsüberwachungseingangs U angepasst ist.
Um Informationen über einen Betriebszustand des elektrischen Energieversorgungssystems 100, insbesondere über dessen mögliche Überlastung, zu erhalten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein die Auslastung des Spannungswandlers 110 charakterisierendes Lastsignal ausgewertet wird.
Erfindungsgemäß kann vorteilhaft direkt das den Halbleiterschalter 111 ansteuernde Taktsignal CLK als das die Auslastung des Spannungswandlers 110 charakterisierende Lastsignal verwendet werden, weil z.B. ein Pulspausenverhältnis des Taktsignals CLK Informationen über die elektrische Leistung enthält, die von dem induktiven Element 112 des elektrischen Energieversorgungssystems 100 umgesetzt wird.
Eine noch präzisere Information über die Auslastung des Spannungswandlers 110 kann ggf. dadurch erhalten werden, dass das Lastsignal zusätzlich in Abhängigkeit einer Temperatur mindestens einer Komponente des Energieversorgungssystems 100, beispielsweise des Halbleiterschalters 111 oder auch des induktiven Elements 112, ermittelt wird.
Eine besonders effiziente Ermittlung des erfindungsgemäß betrachteten Lastsignals ist dadurch gegeben, dass eine Anzahl von Ansteuertakten des Ansteuersignals CLK gezählt wird, mit denen der Halbleiterschalter 111 während eines vorgebbaren Beobachtungszeitraums, insbesondere eines Arbeitszyklus des Einspritzsystems, angesteuert wird.
2 zeigt ein Funktionsdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, das die Auswertung des erfindungsgemäß ermittelten Lastsignals L veranschaulicht.
Durch einen ersten Vergleicher V1 wird das erfindungsgemäß ermittelte Lastsignal L mit einem vorgebbaren Maximalwert Lmax für das Lastsignal verglichen. Am Ausgang des Vergleichers V1 liegt ein erstes Fehlersignal F1 an, wenn der Vergleich ergibt, dass das Lastsignal L den vorgebbaren Maximalwert Lmax überschreitet. Andernfalls, d.h., wenn das Lastsignal L seinen vorgebbaren Maximalwert Lmax nicht überschreitet, gibt der Vergleicher V1 ein Signal aus, das logisch NULL entspricht, d.h. es liegt kein Fehler vor.
Das erste Fehlersignal F1 kann erfindungsgemäß beispielsweise dazu verwendet werden, einen Fehlerspeichereintrag anzustoßen oder auch einen Notlauf des Energieversorgungssystems 100 (1) einzuleiten. Es ist ferner denkbar, das elektrische Energieversorgungssystem 100 allein in Abhängigkeit des ersten Fehlersignals F1 zu deaktivieren.
Die weitere Auswertung des Fehlersignals F1 wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das erste Fehlersignal F1 auf ein Oderglied O1 geleitet wird, welches bei dem Anliegen des ersten Fehlersignals F1 bereits ein Überlastsignal DCOL ausgibt, das seinerseits zur Deaktivierung des elektrischen Energieversorgungssystems 100 verwendet werden kann.
Alternativ ist es auch möglich, das elektrische Energieversorgungssystem 100 nicht sofort zu deaktivieren, sondern vielmehr zunächst eine geringere elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass die Anzahl von Teileinspritzungen je Arbeitszyklus limitiert wird. Das erfindungsgemäße Überlastsignal DCOL kann also vorteilhaft dazu verwendet werden, zunächst allein eine Limitierung der Anzahl von Teileinspritzungen je Arbeitszyklus bei dem Kraftstoffeinspritzsystem zu bewirken. Hierzu wird das Überlastsignal DCOL z.B. an ein das Einspritzsystem steuerndes Steuergerät (nicht gezeigt) übertragen.
Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Betrachtung des erfindungsgemäß ermittelten Lastsignals L kann vorteilhaft auch ein aktueller Leistungsbedarf Pa mindestens eines Aktors des Einspritzsystems ermittelt werden. Der aktuelle Leistungsbedarf Pa kann beispielsweise direkt aus den elektrischen Ansteuergrößen (Strom, Spannung, Ansteuerdauer usw.) für den betreffenden Aktor errechnet werden. Hierbei kann besonders vorteilhaft auf die Ansteuergrößen einer zuletzt vorgenommenen Ansteuerung des Aktors zurückgegriffen werden.
Ein zweiter Vergleicher V2 vergleicht den aktuellen Leistungsbedarf Pa mit einer maximal zulässigen Ausgangsleistung Pmax des Spannungswandlers 110 und gibt an seinem Ausgang ein zweites Fehlersignal F2 aus, wenn der aktuelle Leistungsbedarf Pa des Aktors größer ist als die maximal zulässige Ausgangsleistung Pmax. Das zweite Fehlersignal F2 wird ebenfalls dem Oderglied O1 zugeleitet, so dass bereits allein das Vorliegen des zweiten Fehlersignals F2 ebenfalls die vorstehend bereits beschriebene Limitierung der Anzahl von Teileinspritzungen je Arbeitszyklus zur Folge hat.
Durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung einerseits des direkt die Auslastung des Spannungswandlers 110 charakterisierenden Lastsignals L und andererseits des aktuellen elektrischen Leistungsbedarfs Pa des Aktors bzw. der/aller Aktoren ist es vorteilhaft möglich, sowohl ein mögliches Leerlaufen, d.h. vollständiges Entladen, des Pufferkondensators C (1) zu erkennen bzw. zu verhindem, als auch eine thermische Überlastung des elektrischen Energieversorgungssystems 100 zu vermeiden. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Systemen, welche allein einen Ladezustand des Pufferkondensators C berücksichtigen, ermöglicht das erfindungsgemäße Betriebsverfahren eine verbesserte Ausnutzung des elektrischen Energieversorgungssystems, weil direkt die tatsächliche Auslastung u.a. der kritischen Komponente Spannungswandler 110 berücksichtigt wird.
Der Maximalwert Lmax für das Lastsignal L kann bevorzugt applizierbar ausgelegt sein. Die ebenfalls vorgebbare maximal zulässige Ausgangsleistung Pmax des Spannungswandlers 110 kann ebenfalls applizierbar ausgelegt sein und wird üblicherweise in Abhängigkeit des thermischen Designs des elektrischen Energieversorgungssystems 100 festgelegt.
Der aktuelle Leistungsbedarf Pa des mindestens einen Aktors bzw. aller anzusteuernden Aktoren kann beispielsweise dadurch errechnet werden, dass der aus den elektrischen Ansteuergrößen ermittelte Energieverbrauch des Aktors über einen Einspritzzyklus multipliziert wird mit einer Drehzahl der Brennkraftmaschine.
Die maximal zulässige Ausgangsleistung Pmax des Spannungswandlers 110 kann bevorzugt auch verschiedene Werte aufweisen, beispielsweise in Abhängigkeit einer aktuellen Temperatur des Halbleiterschalters 111 beziehungsweise des induktiven Elements 112 (1). Dadurch ist es möglich, eine zeitweise Überlastung des Spannungswandlers 110 gezielt zu tolerieren, sofern die maximal zulässige Betriebstemperatur der betreffenden Komponenten nicht bereits erreicht beziehungsweise überschritten ist.
Anstelle des aktuellen Leistungsbedarfs Pa des mindestens einen Aktors kann auch ein entsprechender Mittelwert betrachtet werden, wobei entsprechend sicherzustellen ist, dass der Mittelwert einen bestimmten Maximalwert nicht dauernd überschreiten darf.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieversorgungssystems (100) für ein Einspritzsystem, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Energieversorgungssystem (100) einen Spannungswandler (110), insbesondere einen Gleichspannungswandler, aufweist, wobei ein die Auslastung des Spannungswandlers (110) charakterisierendes Lastsignal (L) ausgewertet wird, um auf einen Betriebszustand des Energieversorgungssystems (100) zu schließen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Ansteuertakten gezählt wird, mit denen zumindest eine Komponente des Spannungswandlers (110), insbesondere ein Halbleiterschalter (111), während eines vorgebbaren Beobachtungszeitraums, insbesondere eines Arbeitszyklus des Einspritzsystems, angesteuert wird, und dass das Lastsignal (L) in Abhängigkeit der Anzahl von Ansteuertakten ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Komponente des Spannungswandlers (110), insbesondere ein Halbleiterschalter (111), mit einer vorgebbaren Taktfrequenz betrieben wird, und dass das Lastsignal (L) in Abhängigkeit der Taktfrequenz ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastsignal (L) in Abhängigkeit einer Temperatur mindestens einer Komponente des Energieversorgungssystems (100) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastsignal (L) mit einem vorgebbaren Maximalwert (Lmax) für das Lastsignal verglichen wird, und dass in Abhängigkeit des Vergleichs eine erste Fehlerreaktion eingeleitet wird und/oder dem Einspritzsystem eine geringere elektrische Leistung zur Verfügung gestellt wird, vorzugsweise durch Limitieren einer Anzahl von Teileinspritzungen je Arbeitszyklus.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Leistungsbedarf (Pa) mindestens eines Aktors des Einspritzsystems ermittelt wird, dass der aktuelle Leistungsbedarf (Pa) mit einer maximal zulässigen Ausgangsleistung (Pmax) des Spannungswandlers (110) verglichen wird, und dass in Abhängigkeit des Vergleichs eine zweite Fehlerreaktion eingeleitet wird und/oder dem Einspritzsystem eine geringere elektrische Leistung zur Verfügung gestellt wird, vorzugsweise durch Limitieren einer Anzahl von Teileinspritzungen je Arbeitszyklus.
Vorrichtung (20) zum Betreiben eines elektrischen Energieversorgungssystems (100) für ein Einspritzsystem, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Energieversorgungssystem (100) einen Spannungswandler (110), insbesondere einen Gleichspannungswandler, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) ausgebildet ist, ein die Auslastung des Spannungswandlers (110) charakterisierendes Lastsignal (L) auszuwerten, um auf einen Betriebszustand des Energieversorgungssystems (100) zu schließen und zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.