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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Temperaturmessungen
in Fahrzeugen.
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Zum
Anlassen eines Antriebsaggregats eines Fahrzeugs, beispielsweise
zum Anlassen eines Verbrennungsmotors, werden oft so genannte Starter eingesetzt,
welche üblicherweise
einen elektromechanischen Aktuator mit einem Startermotor und einem
Relais aufweisen. Zum Anlassen des Antriebsaggregats wird der mechanische
Aktuator durch ein elektrisches Signal angesteuert, welches ansprechend
hierauf eine mechanische Aktuatorbewegung herbeiführt. Hierzu
kann das Relais des Aktuators ansprechend auf das elektrische Signal
beispielsweise ein Starterritzel bewegen, wodurch das Antriebsaggregat
angelassen wird.
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Mit
steigendem Komfortanspruch ist es jedoch wünschenswert, den Startvorgang
des Antriebsaggregats derart zu gestalten, dass neben der eigentlichen
Starterfunktion auch weitere Anforderungen, wie beispielsweise Geräuscharmut,
Langlebigkeit, reduzierte Bordnetzbelastung oder geringe Startvorgangdauer,
erfüllt
werden. Diese Anforderungen können
durch verschiedene Starterkonzepte realisiert werden, welche beispielsweise
auf der Verwendung eines klassischen Starters in Form eines Elektromotors,
eines Riemenstarters, eines integrierten Starters oder eines Hybridantriebs,
bei dem ein Elektromotor zum Anlassen eines Verbrennungsmotors eingesetzt
wird, basieren. Allen Starterkonzepten ist jedoch gemeinsam, dass
der Starter mit dem An triebsaggregat über ein Starterritzel, eine
Kurbelwelle oder über
einen Antriebsstrang zusammenwirkt.
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Üblicherweise
weisen die Aktuatoren temperaturabhängige Eigenschaften auf, welche
in einem temperaturabhängigen
Wirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer Energie in eine mechanische Bewegung
resultieren. Zur Sicherstellung gleich bleibender Leistungsfähigkeit
des Aktuators ist es daher notwendig, diese temperaturabhängigen Eigenschaften
bei dessen Ansteuerung zu berücksichtigen,
um trotz der Temperaturabhängigkeit
eine gleich bleibende Funktionalität des Aktuators, beispielsweise
eine Dynamik, zu gewährleisten.
Hierzu muss jedoch die Temperatur des Aktuators ermittelt werden,
was üblicherweise
aufgrund der gesonderten Anordnung des Aktuators in einem Fahrzeugantrieb
durch einen gesonderten Temperatursensor realisiert wird. Nachteilig
an diesem Temperaturerfassungskonzept ist jedoch der stets notwendige
Verkabelungsaufwand. Darüber
hinaus ist es oft schwierig, einen Temperatursensor an einer Position
des Aktuators anzubringen, deren Temperatur für die Leistungsfähigkeit
des Aktuators entscheidend ist.
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Die
vorstehend beschriebene Problematik im Zusammenhang mit einem Aktuator,
welcher ein Beispiel für
eine elektromechanische Komponente ist, gilt generell bei der Temperaturerfassung
bei beliebigen elektromechanischen Komponenten eines Fahrzeugs,
wie beispielsweise eines Generators oder eines Elektromotors, auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Temperatur einer
elektromechanischen Komponente eines Fahrzeugs, welche eine Energie eines
elektrischen Ansteuersignals in eine mechanische Bewegung umsetzt,
auf der Basis einer Energie bzw. einer Leistung insbesondere bei
temperaturkompensierender Ansteuerung erfasst werden kann. Umfasst
die elektromechanische Komponente beispielsweise ein Relais, bei
dem ansprechend auf eine elektrische Ansteuerung ein Ritzel bewegt
wird, so steigt mit steigender Temperatur durch eine Wirkungsgradreduktion
die zur Bewegung des Ritzels notwendige mechanische Leistung oder
Energie an. Bei gleichbleibender Temperatur ist die zur Bewegung
des Ritzels notwendige Energie oder Leistung hingegen konstant.
Daher erlaubt die einer elektromechanischen Kom ponente zuzuführende Leistung oder
Energie eines ansteuernden elektrischen Signals eine Aussage über eine
Temperatur der elektromechanischen Komponente.
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Die
Energie oder die Leistung des die elektromechanische Komponente
ansteuernden, bevorzugt gepulsten Steuersignals ist üblicherweise
durch dessen Tastverhältnis,
so genannten Duty Cycle, bestimmt, welches ein Verhältnis zwischen
einer Pulsdauer und einer Periodendauer oder ein Verhältnis zwischen
einer Periodendauer und einer Pulsdauer angibt. Die Temperatur einer
elektrisch ansteuerbaren elektromechanischen Komponente kann daher auf
der Basis des Tastverhältnisses
bestimmt werden.
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Gemäß einem
Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen einer Temperatur
einer elektromechanischen Komponente, welche die elektrische Energie
oder Leistung eines elektrischen Signals, beispielsweise eines gepulsten
elektrischen Signals, in eine mechanische Bewegung umwandelt. Die
Temperatur der elektromechanischen Komponente wird bevorzugt auf
der Basis eines Tastverhältnisses
des elektrischen Signals erfasst.
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Somit
ist es nicht notwendig, die elektromechanische Komponente mit einem
Temperatursensor zu versehen, um auf deren Temperatur zu schließen, was
zu einer Reduktion des Verkabelungsaufwandes führt. Daher kann auch auf zusätzliche
Verkabelungselemente wie Stecker, Kabel und weitere Bauelemente
verzichtet werden. Darüber
hinaus ist es aufgrund der reduzierten Verkabelung möglich, die
Verfügbarkeit
der Temperaturerfassung zu erhöhen.
Die Erfassung der Temperatur kann somit auch in vorteilhafter Weise
mithilfe der bereits bestehenden Peripherie, wie beispielsweise
einer elektronischen Einheit, welche ein Steuergerät sein kann,
durchgeführt und
kann beispielsweise in der elektronischen Einheit implementiert
werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist der Umwandlungswirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer
Energie in mechanischen Bewegung der elektromechanischen Komponente
temperaturabhängig, so
dass das Tastverhältnis
zum Ausgleich einer temperaturbedingten Änderung, beispielsweise Erhöhung oder
Verringerung, des Umwandlungswirkungsgrades geändert, beispielsweise erhöht oder verringert
wird. Dies kann durch eine Spannungs- oder Stromregelung erfolgen,
welche beispielsweise rückgekoppelt
ist und die mechanische Bewegung erfasst bzw. überwacht. Aus der Änderung
des Tastverhältnisses
kann daher auf eine Änderung
der Temperatur der elektromechanischen Komponente in einfacher Weise
geschlossen werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird das elektrische Signal mittels eines Steuergerätes erzeugt,
welches von der elektromechanischen Komponente beabstandet sein
kann. Ist das Steuergerät vorgesehen,
eine die Temperatur kompensierende Ansteuerung der elektromechanischen
Komponente zu bewirken, so kann vorteilhaft in dem Steuergerät auf der
Basis des sich dabei ändernden
Tastverhältnisses
des elektrischen Signals auf die variierende Temperatur der elektromechanischen
Komponente geschlossen werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die elektromechanische Komponente eine Komponente eines Fahrzeugs
oder eines Fahrzeugantriebs, beispielsweise ein Aktuator mit einem
Startermotor und/oder mit einem Relais zur Umwandlung der elektrischen
Energie oder Leistung in die mechanische Bewegung, beispielsweise
in eine translatorische Bewegung oder eine Rotationsbewegung. Das
Verfahren kann somit vorteilhaft zur Erfassung der Temperatur beliebiger
Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise eines Startermotors oder
eines Aktuators mit einem Relais, herangezogen werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird die Temperatur der elektromechanischen Komponente anhand einer
Lookup-Tabelle, in welcher zumindest einer Temperatur der elektromechanischen
Komponente ein Tastverhältnis
zugeordnet ist, bestimmt. Somit kann die Temperatur vorteilhaft
anhand beispielsweise eines Vergleichs des ermittelten Tastverhältnisses
mit einem der in der Lookup-Tabelle abgelegten, auf die jeweilige
Temperatur hinweisenden Einträge,
ermittelt werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist das Tastverhältnis
des elektrischen Signals der dieses elektrische Signal erzeugenden
Peripherie, beispielsweise einem Steuergerät, bekannt und muss daher nicht gesondert
ermittelt werden. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird das Tastverhältnis
des elektrischen Signals jedoch ermittelt, was vorteilhaft beispielsweise
auf der Basis einer Pulsdauer durchgeführt werden kann.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Steuergerät zum Ansteuern
einer elektromechanischen Komponente mit einem elektrischen Signal,
beispielswei se mit einem gepulsten Signal, zur Umwandlung der elektrischen
Energie oder Leistung des elektrischen Signals in mechanische Energie.
Das Steuergerät
ist bevorzugt ausgebildet, eine Temperatur der elektromechanischen
Komponente auf der Basis eines Tastverhältnisses des elektrischen Signals
zu erfassen. Das Steuergerät
kann in vorteilhafter Weise programmtechnisch eingerichtet sein
und die erfindungsgemäße Temperaturerfassung
automatisch durchführen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
umfasst das Steuergerät
eine Schalteinrichtung, beispielsweise einen steuerbaren Schalter,
welche vorgesehen ist, das elektrische Signal bzw. dessen Tastverhältnis zu erzeugen.
Dadurch kann in einfacher Weise eine Temperatur kompensierende Ansteuerung
der elektromechanischen Komponente realisiert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist ein Umwandlungswirkungsgrad der elektromechanischen Komponente
temperaturabhängig.
Bevorzugt ist das Steuergerät
ausgebildet, das Tastverhältnis
zum Ausgleich einer temperaturbedingten Änderung, beispielsweise Erhöhung oder
Verringerung, des Umwandlungswirkungsgrades zu ändern, beispielsweise zu erhöhen oder
zu verringern. Dadurch kann die temperaturkompensierte Ansteuerung
in besonders einfacher Weise realisiert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist das Steuergerät
ausgebildet, die Temperatur der elektromechanischen Komponente anhand
einer Lookup-Tabelle, in welcher zumindest einer Temperatur der elektromechanischen
Komponente ein Tastverhältnis des
elektrischen Signals zugeordnet ist, zu bestimmen.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt
prinzipielles Blockdiagramm eines Steuergerätes;
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2 zeigt
ein prinzipielles Blockdiagramm eines Steuergerätes;
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3 zeigt Signalverläufe;
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4 zeigt Signalverläufe;
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5 zeigt
einen Stromanstieg; und
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6 verdeutlicht
die erfindungsgemäße Temperaturerfassung.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild eines Steuergerätes 101, das in Form
einer Steuereinheit gebildet sein kann. Das Steuergerät ist mit
einer elektromechanischen Komponente 103 gekoppelt. Die
elektromechanische Komponente 103 ist beispielsweise ein Aktuator
und umfasst beispielsweise einen in 1 nicht
dargestellten Startermotor sowie ein Relais 105. Das Steuergerät 101 ist
vorgesehen, ein elektrisches Signal 107, das gepulst sein
kann, zu erzeugen und der elektromechanischen Komponente zuzuleiten.
Bei einer Änderung
einer Temperatur der elektromechanischen Komponente 103,
welche räumlich
getrennt von dem Steuergerät 101 angeordnet
sein kann, kann das Steuergerät 101 das
Tastverhältnis
des elektrischen Signals 107 ändern, um der elektromechanischen
Komponente 103 genügend Leistung
zur Ausführung
einer bestimmten mechanischen Bewegung zur Verfügung zu stellen. Dies kann beispielsweise
auf der Basis einer Regelung eines Relaisstroms erfolgen, welches
pulsweitenmoduliert ist und in dem Steuergerät 101 erzeugt bzw.
ermittelt wird.
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Hierzu
kann das Steuergerät 101,
wie in 2 dargestellt, einen Schalter 201 aufweisen,
welcher zwischen einen Spannungsversorgungsanschluss 203,
an den beispielsweise 12 V Spannung anlegbar ist, und Masse 205 über eine
in Sperrrichtung betriebene Diode 207 angeordnet ist. Dabei
ist ein Knotenpunkt zwischen dem Schalter 201 und der Diode 207 mit
einem Anschluss des Aktuators 105, dessen weiterer Anschluss
mit dem Masseanschluss 205 gekoppelt ist, verbunden.
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In 3 sind bei der Ansteuerung der elektromechanischen
Komponente resultierende Signalverläufe dargestellt. 3a zeigt
einen pulsförmigen Spannungsverlauf
mit gepulsten Ansteuerungsphasen 301 und Freilaufphasen 303. 3b zeigt
den aufgrund der beispielsweise Zuleitungsinduktivitäten resultierenden,
geänderten
Verlauf des Stroms an der elektromechanischen Komponente 103.
Wie in 3b dargestellt, schwankt der
Strom beispielsweise sägezahnförmig um
einen Sollstrom 305 in Abhängigkeit von der Pulsweite
der in 3a dargestellten Spannung.
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Zur
erfindungsgemäßen Erfassung
der Temperatur kann ausgenutzt werden, dass sich die elektrischen
Eigenschaften der elektromechanischen Komponente 103 mit
der Temperatur ändern.
Besteht beispielsweise die elektrische Leitung zu der elektromechanischen
Komponente 103 hin aus Kupfer, so weist sie einen positiven
Temperaturkoeffizienten auf, welcher mit steigender Temperatur T
eine höhere Verlustleistung
bei konstantem Strom verursacht. Dies hat zur Folge, dass die elektrische
Regelung ein entsprechend höheres
Abtastverhältnis
der gepulsten Spannung einstellen muss, um beispielsweise den in 3b dargestellten
Strom auf den Stromsollwert 305 zu regeln. Daher besteht
zwischen dem Abtastverhältnis,
welches bei der vorgenannten Stromregelung eingestellt wird, und
der Temperatur der elektromechanischen Komponente sowie deren Zuleitungen
eine Korrelation, welche als ein direktes Maß für die Temperatur der elektromechanischen Komponente
ist.
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Zur
Ermittlung der Temperatur der elektromechanischen Komponente wird
vorteilhaft das durch beispielsweise einen Regler eines Steuergerätes intern
gesetzte Abtastverhältnis
ermittelt und unter Berücksichtigung
eines aufbauspezifischen und optionalen Kalibrationsfaktors in eine
Temperatur umgewandelt werden, wie es beispielsweise in 4 verdeutlicht ist. 4a zeigt
dabei gepulste Spannungsverläufe.
In 4b sind dazugehörige Verläufe der resultierenden Ströme dargestellt.
So kann beispielsweise anhand einer Lookup-Tabelle dem in 4a zunächst dargestellten
Abtastverhältnis
eine erste Temperatur 401 zugeordnet werden. Dem in 4a ebenfalls
dargestellten, zweiten Abtastverhältnis kann hingegen eine zweite
Temperatur 403 zugeordnet werden. Wie in 4b dargestellt
sind bei unterschiedlichen Spannungspulsweiten unterschiedliche
steigende Flanken der resultierenden Ströme zu beobachten, wobei eine
Dauer einer jeweiligen steigenden Flanke einer Pulsdauer entspricht.
Das Abtastverhältnis
des elektrischen Signals kann somit auch aus einem Verhältnis der
Dauer der steigenden Flanke des resultierenden Stroms und dessen
Periodendauer erfasst werden.
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In 5 ist
ein Stromverlauf gemäß U/R dargestellt,
wobei ein Anstieg des Stroms bis zu einem Stromsollwert 501,
insbesondere die durch die Tangente 503 dargestellte Steigung,
durch beispielsweise Induktivitäten,
wie z. B. Zuleitungsinduktivitäten, oder
durch weitere gegebenenfalls überlagernde nichtlineare
Effekte wie Ferromagnetismus oder temperaturabhängige Leitwerte beeinflusst
wird. Aus diesem Grund kann zur Temperaturerfassung bevorzugt eine
in dem Steuergerät 101 implementier te Lookup-Tabelle
hinterlegt werden, in welcher beispielsweise empirisch ermittelte
Abtastverhältnisse, welche
sich beispielsweise auf pulsförmige
Spannungsverläufe
oder daraus resultierende Stromverläufe oder umgekehrt beziehen,
abgelegt sind. Die Lookup-Tabelle kann beispielsweise mittels eines
Mikrocontrollers implementiert werden, welchem ein Speicherbereich
zugewiesen ist, in dem die Einträge abgelegt
sind.
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Bevorzugt
kann berücksichtigt
werden, dass unterschiedliche Effekte mit unterschiedlichen Auswirkungen
und in Abhängigkeit
von einem jeweiligen Arbeitspunkt der elektromechanischen Komponente auftreten.
Hierzu ist in 6 ein gepulster Verlauf eines
Effektivstroms dargestellt, wobei zur Verdeutlichung der vorgenannten
Effekte auch der in 5 dargestellte Verlauf eingezeichnet
ist. Wird der Arbeitspunkt in den Arbeitspunkten 601 bei
einem gewissen Ruhestrom 603 eingestellt, so findet die
Temperaturerfassung bevorzugt zu Meßpunkten 605 statt,
zu denen der Strom näherungsweise
den Stromsollwert 501 aufweist. Die vorgenannten, einzelnen
Effekte können
zwar voneinander separiert werden. Bevorzugt wird jedoch ein möglichst
hoher Sollwert 501 des Stroms gewählt, welcher beispielsweise
durch ein Relais fließt,
um zu erreichen, dass die ohmschen Anteile dominieren. Dabei können die Arbeitspunkte 601 beliebig
eingestellt werden, weil aus jedem Arbeitspunkt 601 heraus
ein Mess-Arbeitspunkt 605 erreicht wird, bei welchem die
Temperaturmessung bzw. -erfassung durchgeführt wird. Anschließend wird
der zuvor herrschende Betriebszustand eingestellt.