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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung, in der wenigstens eine Last in einer Halbbrückenanordnung zwischen einem spannungsquellenseitigen Highside-Schaltelement und einem masseseitigen Lowside-Schaltelement in Reihe geschaltet ist, sowie eine entsprechende Betriebseinrichtung.
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Stand der Technik
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Elektrische Lasten werden in der Regel über Schalter mit der sie speisenden Spannungsquelle verbunden. Der jeweilige Schalter kann dabei bezüglich der Last spannungsquellen- oder masseseitig angeordnet sein.
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Im Niederdruckkreislauf von Kraftstoffsystemen bei Kraftfahrzeugen können Sperr- bzw. Sicherheitsventile vorgesehen sein, die während der Fahrt einen Kraftstoffzufluss zum Motor, z.B. für einen Fahrzyklus von 30 Minuten, freigeben. Derartige Ventile umfassen einen elektromotorischen Aktor, der elektrisch gesehen eine induktive Last darstellt. Die Ventile werden in der Regel mittels einer sogenannten Peak-and-Hold-Ansteuerung betrieben, bei der ein Strompeak (Öffnungsstrom) eines Ansteuersignals ein Öffnen des Ventils bewirkt und das Ventil anschließend durch einen (niedrigeren) Haltestrom dauerhaft offen gehalten wird. Sowohl der Öffnungs- als auch der Haltestrom werden in der Regel mittels einer Stromregelung durch Pulsweitenmodulation eingestellt.
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Die Spulenwindungen des Aktors sind nicht für dauerhaftes Einschalten ausgelegt und können daher bei zu langem Einschalten, d.h. durch dauerhafte Beaufschlagung mit einem Maximalstrom, thermisch zerstört werden. Dieser Fall kann insbesondere dann eintreten, wenn eine masseseitig getaktet geschaltete Last einen Kurzschluss gegen Masse erfährt.
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Die Erfindung ist nicht auf die genannten Sperr- bzw. Sicherheitsventile beschränkt, sondern kann auch in anderen Ventilen mit entsprechender Funktionalität, z.B. in entsprechend ausgebildeten Mengensteuerventilen, die einen Kraftstoffzufluss zu einer Hochdruckpumpe regeln, zum Einsatz kommen.
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Üblicherweise befindet sich in entsprechenden Anordnungen masseseitig geschalteter Lasten spannungsquellenseitig ein weiterer Schalter in Form eines Hauptschalters oder Hauptrelais, mit welchem die gesamte Spannungsversorgung geschaltet werden kann. Tritt in einer Last oder in einem einer Last zugeordneten Schalter ein Fehler, z.B. ein Kurzschluss, auf, kann hierauf mit dem Abschalten der Spannung über das Hauptrelais reagiert werden, so dass die jeweilige Last nicht beschädigt wird. Das Öffnen des Hauptrelais im Fehlerfall hat jedoch zur Folge, dass sämtliche Verbraucher ausgeschaltet werden und damit das Gesamtsystem und nicht nur die fehlerhafte Komponente ausfällt.
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Die
DE 10 2005 025 871 A1 adressiert dieses Problem und schlägt eine Schaltung zur Überwachung und Steuerung einer Last, insbesondere einer induktiven oder ohmschen Last, vor, die jeweils über einen spannungsquellenseitigen Schalter mit einer Spannungsquelle in Form einer Batterie und über einen masseseitigen Schalter mit Masse verbunden ist, wobei die Schaltung eine Einrichtung zur Messung der masseseitigen Spannung der Last sowie eine Einrichtung zur Messung der spannungsquellenseitigen Spannung der Last umfasst. Im Fehlerfall, d.h. auf Grundlage eines masseseitigen und/oder spannungsquellenseitigen Spannungsmesswerts, kann jede Last individuell über den spannungsquellenseitigen Schalter von der Spannungsquelle getrennt werden.
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Die in der
DE 10 2005 025 871 A1 offenbarte Schaltung bietet damit den Vorteil, dass der batterieseitige Schalter ein Abschalten der Last im Falle eines masseseitigen Kurzschlusses zur Masse ermöglicht. Der spannungsseitige Schalter und der masseseitige Schalter können bevorzugt unabhängig voneinander durch ein Steuergerät geschaltet werden.
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Ein System und ein Verfahren für Diagnose von Fehlerzuständen in der Energieversorgung einer Last ist auch aus der
EP 1 287 369 B1 bekannt.
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Insgesamt erweisen sich die aus dem Stand der Technik bekannten Ansteuerund Diagnosemöglichkeiten entsprechender Schaltungen jedoch als unzureichend. Es besteht daher der Bedarf nach entsprechenden Verbesserungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung, in der wenigstens eine Last in einer Halbbrückenanordnung jeweils zwischen einem spannungsquellenseitigen Highside-Schaltelement und einem masseseitigen Lowside-Schaltelement in Reihe geschaltet ist, sowie eine Betriebseinrichtung für eine entsprechende Schaltung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Wenngleich die vorliegende Erfindung nachfolgend überwiegend unter Bezugnahme auf die Peak-and-Hold-Ansteuerung bei Sperr- und Sicherheitsventilen beschrieben wird, ist sie, wie erwähnt, nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern kann für beliebige induktive oder ohmsche Lasten genutzt werden.
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Ein wesentliches Merkmal, das die vorliegende Erfindung als vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik erscheinen lässt, ist die Aktivierung des Lowside-Schaltelements während einer Voransteuerphase vor und/oder während einer Nachansteuerphase nach der (eigentlichen) Ansteuerung der entsprechenden Last. Die Aktivierung erfolgt dabei in Form einer Taktung, während das Highside-Schaltelement stromlos bzw. deaktiviert ist. Bei entsprechend deaktiviertem Highside-Schaltelement ist die Last von der Spannungsquelle getrennt und wird daher trotz des getakteten Lowside-Schaltelements nicht mit einem entsprechenden Ansteuersignal beaufschlagt.
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Hierbei bezeichnet eine "Taktung", wie auch allgemein bekannt, ein periodisches An- und Abschalten eines entsprechenden Schaltelements. Der Tastgrad bezeichnet dabei das Verhältnis von Anschalt- zu Abschaltdauer. Ein Tastgrad von 100% bzw. 1 entspricht somit einem dauerhaften Anschalten bzw. einer Daueransteuerung.
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Während der Voransteuerphase, während derer nur das Lowside-Schaltelement getaktet, das Highside-Schaltelement jedoch nicht angesteuert wird, kann in einer entsprechenden Highside-Lowside-Brückenschaltung ein dem Highside-Schaltelement typischerweise zugeordneter Bootstrap-Kondensator geladen werden. Das Laden des Bootstrap-Kondensators ist erforderlich, um das Highside-Schaltelement sicher schalten zu können.
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Ein Bootstrap-Kondensator ist in der Regel mit einem ersten Anschluss fest mit einer Spannungsquelle und mit einem zweiten Anschluss mit der Last an deren Highside-Anschluss verbunden. Ein (hochohmiger) sogenannter Pull-Down-Widerstand verbindet den zweiten Anschluss des Bootstrap-Kondensators ferner direkt oder über die Last hinweg mit Masse und ermöglicht dessen Laden bei geöffnetem Highside-Schaltelement. Würde daher in herkömmlichen Anordnungen auf den Pull-Down-Widerstand verzichtet werden, könnte der Bootstrap-Kondensator aufgrund fehlender Masseverbindung nicht geladen werden. Erfindungsgemäß wird nun jedoch, wie erwähnt, eine Verbindung über die Last hinweg während der Vor- und/oder der Nachansteuerphase durch getaktetes Ansteuern des Lowside-Schaltelements hergestellt. Durch die Verwendung des vorgeschlagenen Verfahrens kann daher der Pull-Down-Widerstand durch eine Ansteuerfunktion ersetzt werden, was zu einer beträchtlichen Kostenreduzierung führt.
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Während der Nachansteuerphase kann in einer Highside-Lowside-Schaltung auch ohne Pull-Down-Widerstand die Last mittels des Lowside-Schaltelements mit Masse verbunden und eine entsprechende Lastspannung abgebaut werden. Eine entsprechende Funktionalität, die üblicherweise mittels des erwähnten Pull-Down-Widerstands realisiert wird, ist erforderlich, um sogenannte OL-Ghost-Fehler am Highside-Schaltelement zu unterdrücken:
Die Diagnose des Highside-Schaltelements setzt voraus, dass das Highside-Schaltelement mittels der nachgeschalteten Last mit Masse verbunden ist. In einer herkömmlichen Highside-Lowside-Schaltung stellt, wie erwähnt, der Pull-Down-Widerstand eine entsprechende Verbindung her. Fehlt der Pull-Down-Widerstand, so fehlt auch die Masse-Verbindung und die Diagnose des Highside-Schaltelements meldet einen OL-Fehler (Open Load: Keine Verbindung zur Last), der jedoch nicht vorhanden ist (sogenannter Ghost-Fehler). Erfindungsgemäß wird nun die Masse-Verbindung über die Last hinweg durch das Schließen des Lowside-Schaltelements während der Nachansteuerphase hergestellt, so dass auch in diesem Zusammenhang kein Pull-Down-Widerstand erforderlich ist.
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Im Gegensatz zu bisher bekannten Ansteuerverfahren kann mittels der Erfindung auch der Fehler SCBHS (Shortcut to Battery on Highside: Kurzschluss zur Spannungsquelle über das Highside-Schaltelement) erkannt werden. Zu dieser und weiteren Fehlerdiagnosemöglichkeiten sei auf die nachfolgenden Erläuterungen im Rahmen der Beschreibung der Ausführungsformen verwiesen.
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Ein weiteres wesentliches Merkmal, das die vorliegende Erfindung als vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik erscheinen lässt, ist die Durchführung einer separaten Diagnose der Highside- und Lowside-Schaltelemente in einer Highside-Lowside-Schaltung. Hierzu können die Bedingungen der jeweiligen einseitigen (also entweder nur über über Highside- oder nur über Lowside-Schaltelemente verfügenden) Schaltungen eingestellt und entsprechende Tests durchgeführt werden.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine Schaltung gemäß dem Stand der Technik und einen ersten Fehler in schematischer Darstellung.
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2 zeigt eine Schaltung gemäß dem Stand der Technik und einen zweiten Fehler in schematischer Darstellung.
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3 zeigt eine Schaltung, die mittels eines Verfahrens gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrieben werden kann.
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4 zeigt Ansteuerschemata für Highside- und Lowside-Schaltelemente gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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In den nachfolgenden Figuren sind gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Auf eine wiederholte Erläuterung wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
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In 1 ist eine Schaltung gemäß dem Stand der Technik schematisch dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Schaltung ist mit drei Halbbrückenanordnungen 11, 12, 13 dargestellt, jedoch nicht auf eine bestimmte Anzahl derartiger Anordnungen beschränkt.
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Jede Halbbrückenanordnung 11, 12, 13 weist eine Last L auf und ist über einen Hauptschalter S, der als digitaler An-Aus-Schalter (DIO) ausgebildet sein kann, mit einer Spannungsquelle B verbunden. Der Hauptschalter S ist in der Figur geschlossen dargestellt. Jede Last L ist über ein Lowside-Schaltelement LS mit Masse M verbindbar.
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In der in 1 dargestellten Schaltung sind also mehrere Lasten L an einem Hauptschalter S angeschlossen. Tritt ein Fehler auf der, wie durch den mit SCGLS bezeichneten Pfeil veranschaulicht, einen unerwünschten Stromfluss zwischen einer Last L und Masse M bewirkt, kann zum Schutz der betroffenen Last L nur der Hauptschalter S geöffnet werden. Ein entsprechender Fehlerzustand (als Shortcut to Ground on Lowside, SCGLS, bezeichnet) wird von einer dem Lowside-Schaltelement LS zugeordneten Diagnosefunktion erkannt.
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Die Lowside-Schaltelemente LS einer Schaltung 10 sind in der Regel als Pulsweitenmodulations-Schaltelemente ausgebildet, d.h. sie sind zum Verbinden der Lasten L mit Masse M in getakteter Weise ausgebildet. Bei geschlossenem Hauptschalter S und entsprechend getaktetem Lowside-Schaltelement LS werden die Lasten jeweils mit einem der Taktung entsprechenden pulsweitenmodulierten Signal beaufschlagt.
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In der 2 ist eine Schaltung 10 dargestellt, die jener der 1 entspricht. Im Gegensatz zum Fehlerfall SCGLS der 1 ist hier jedoch, durch den Pfeil SCGHS veranschaulicht, ein Fehlerfall dargestellt, bei dem ein unerwünschter Stromfluss zwischen dem spannungsquellenseitigen Anschluss der Last L und Masse M existiert (als Shortcut to Ground on Highside, SCGHS, bezeichnet). Auch ein derartiger Fehler kann von einer dem Lowside-Schaltelement LS und/oder dem Hauptschalter S zugeordneten Diagnosefunktion erkannt werden. Auch in dem in der 2 dargestellten Fehlerfall verbleibt, um den Hauptschalter S und/oder die Last zu schützen, als einzige Möglichkeit das Öffnen des Hauptschalters S.
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In den in den 1 und 2 dargestellten Fehlerfällen werden, wenn der Hauptschalter geöffnet wird, auch die fehlerfreien Lasten L von der Versorgung getrennt. Durch einen einzigen Fehler an einer Last L werden damit auch alle fehlerfreien Pfade deaktiviert, was zu einer reduzierten Verfügbarkeit und/oder einem Ausfall des Gesamtsystems führt.
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In der 3 ist eine Schaltung, insgesamt mit 20 bezeichnet, dargestellt, die diese Nachteile überwindet. Die Lasten L sind hierbei jeweils in einer Halbbrückenanordnung 21, 22, 23 zwischen einem spannungsquellenseitigen Highside-Schaltelement HS und einem masseseitigen Lowside-Schaltelement LS in Reihenschaltung angeordnet. Die Lowside-Schaltelemente LS sind, wie in den Schaltungen der 1 und 2, vorteilhafterweise zur getakteten Ansteuerung eingerichtet und können daher ein pulsweitenmoduliertes Signal an die Last L bereitstellen, wenn auch das jeweilige Highside-Schaltelement HS geschlossen und damit der spannungsquellenseitige Anschluss der Lasten L mit der Spannungsquelle B verbunden ist.
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Die Highside-Schaltelemente weisen vorteilhafterweise jeweils einen Bootstrap-Kondensator zur Bereitstellung einer entsprechenden Schaltspannung auf.
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Durch die dargestellte Anordnung muss in einem Fehlerfall, der nur eine Last L bzw. nur eine Halbbrückenanordnung 21, 22, 23 betrifft, der Hauptschalter S nicht mehr geöffnet werden. Im Fehlerfall wird lediglich das jeweilige Highside-Schaltelement HS geöffnet und die Last entsprechend geschützt bzw. abgeschaltet. Die übrigen Pfade bleiben betriebsbereit.
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In einer Highside-Lowside-Schaltung, wie sie in 3 dargestellt ist, verlaufen Ansteuerung und elektrische Diagnose der jeweiligen Highside- HS und Lowside-Schaltelemente LS unabhängig voneinander und können unter Umständen von unterschiedlichen Steuerbausteinen durchgeführt werden.
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Weil eine Last von zwei Schaltelementen angesteuert wird und die Diagnose der beiden Schaltelemente sowie deren Auswertung unabhängig von der Ansteuerung abläuft, muss sowohl die Ansteuerung als auch die elektrische Diagnose koordiniert, kontrolliert und ausgewertet werden.
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4 zeigt ein Ansteuerschema gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Ansteuerung eines Lowside-Schaltelements LS ist dabei mit PWM, jene eines Highside-Schaltelements mit DIO angegeben. Es sind jeweils ein Tastgrad τ/T und ein digitaler Zustand eines entsprechenden digitalen Highside-Schaltelements D über eine Zeit t dargestellt.
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In einer ersten Phase 41 werden weder das Highside- HS noch das Lowside-Schaltelement LS angesteuert. Die Last ist damit stromlos, eine Diagnose erfolgt nicht.
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In einer zweiten Phase 42, auch als Voransteuerphase bezeichnet, erfolgt weiterhin keine Ansteuerung des Highside-Schaltelements HS, die Last bleibt also von der Spannungsquelle getrennt und erhält kein Ansteuersignal. Das Lowside-Schaltelement LS wird jedoch in dieser Phase getaktet und mit einem Tastgrad zwischen 0 und 100%, beispielsweise von 16%, angesteuert. Durch diese Ansteuerung kann, wie erwähnt, ein dem Highside-Schaltelement HS zugeordneter Bootstrap-Kondensator geladen werden. Auch in dieser Phase findet keine Fehlererkennung statt.
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Nach vollständiger Ladung des Bootstrap-Kondensators des Highside-Schaltelements HS schaltet dieses und bleibt während einer gesamten Ansteuerphase 43, die auf die Phase 42 folgt, geschlossen. Damit ist eine Verbindung der jeweiligen Last L mit der Spannungsquelle B hergestellt. Die Ansteuerphase 43 kann ihrerseits mehrere Teilansteuerphasen 43a und 43b umfassen, die durch einen unterschiedlichen Tastgrad des Lowside-Schaltelements LS gekennzeichnet sind. Hierdurch kann eine Last beispielsweise durch eine Peak-and-Hold-Ansteuerung angesteuert werden. Die einzelnen Teilansteuerphasen 43a, 43b umfassen beispielsweise einen Tastgrad von 70% in der Teilansteuerphase 43a und einen Tastgrad von 30% in der Teilansteuerphase 43b.
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In der Ansteuerphase 43 befindet sich das Highside-Schaltelement also im angesteuerten Zustand, wodurch die Bedingungen einer gewöhnlichen Lowside-Schaltung hergestellt sind. Eine entsprechende Fehlerdiagnose kann daher am Lowside-Schaltelement in gleicher Weise wie in einer herkömmlichen, lediglich über ein Lowside-Schaltelement verfügenden Schaltung erfolgen. Bezüglich des Highside-Schaltelements ist die Fehlerdiagnose deaktiviert. Wird ein Fehlerzustand detektiert, kann das Highside-Schaltelement geöffnet werden. Eine Fehlererkennung kann bezüglich der Fehlerzustände SCGHS, OLHS, SCGLS, OLLS und SCBLS (Shortcut to Ground on Highside: Massekurzschluss des Highside-Schaltelements, Open Load on Highside: keine Verbindung mit der Last am Highside-Schaltelement, Shortcut to Ground on Lowside: Massekurzschluss des Lowside-Schaltelements, Open Load on Lowside: keine Verbindung mit der Last am Lowside-Schaltelement, Shortcut to Battery on Lowside: Kurzschluss mit der Spannungsquelle am Lowside-Schaltelement) erfolgen.
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Mit anderen Worten kann im Rahmen des genannten Ansteuerverfahrens während des Ansteuerzeitraums 43 ein Stromfluss zwischen der Last L und dem Highside- HS und/oder dem Lowside-Schaltelement LS, ein Stromfluss zwischen der Last L und Masse M über das Highside- HS und/oder das Lowside-Schaltelement LS und/oder ein Stromfluss zwischen der Last L und einer Spannungsquelle B über das Lowside-Schaltelement LS ermittelt werden.
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Nach dem Ende der Ansteuerung der Last L in der Ansteuerphase 43 beginnt eine Nachansteuerphase 44. Die Last ist in dieser Ansteuerphase durch eine entsprechende Ansteuerung des Highside-Schaltelements HS von der Spannungsquelle getrennt. Das Lowside-Schaltelement LS wird angesteuert. Vorteilhafterweise wird hierbei ein Tastgrad von 100% oder nahezu 100% verwendet, was einer Daueransteuerung des Lowside-Schaltelements LS entspricht. Wie erwähnt, kann während der Phase 44 eine Lastspannung abgebaut werden. Nach dem Ende der Nachansteuerphase 44 liegt die Last sowohl spannungsquellenseitig als auch masseseitig isoliert vor.
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In der Nachansteuerphase 44 befindet sich das Highside-Schaltelement im nichtangesteuerten Zustand und das Lowside-Schaltelement LS wird, vorzugsweise statisch, angesteuert. Hierdurch sind die die Bedingungen einer gewöhnlichen Highside-Schaltung (bei geöffnetem Highside-Schaltelement) hergestellt. Eine entsprechende Fehlerdiagnose wird am Highside-Schaltelement durchgeführt. Bezüglich des Lowside-Schaltelements ist die Fehlerdiagnose deaktiviert. Es erfolgt nun bezüglich des Highside-Schaltelements eine Fehlererkennung bezüglich des Fehlerzustands SCBHS (Shortcut to Battery on Highside: Kurzschluss mit der Spannungsquelle am Highside-Schaltelement), es wird also ein Stromfluss zwischen der Spannungsquelle B und der Last L über das Highside-Schaltelement ermittelt.
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Diese zusätzliche Diagnose während der Nachansteuerphase 44 erweist sich als besonders vorteilhaft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005025871 A1 [0007, 0008]
- EP 1287369 B1 [0009]
