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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Spule. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Temperatur einer Spule. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug.
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Spulen, insbesondere Magnetspulen, die beispielsweise in einem Ventil oder einem Schütz angeordnet sind, werden durch Regelung des Spulenstroms betrieben. Um die Spule effektiv betreiben zu können und eine Beschädigung der Spule infolge von Übertemperaturen verhindern zu können, muss die Temperatur der Spule erfasst werden. Zu diesem Zweck können zusätzliche Temperatursensoren verbaut werden, mit denen die Temperatur der Spule erfasst werden kann. Wenn die Spule mit einer pulsweitenmodulierten elektrischen Spannung betrieben wird, sind auch Verfahren bekannt, bei denen der durch die Spule fließende Spulenstrom und die an der Spule anliegende Spulenspannung gemessen werden. Hierbei wird die Spulenspannung möglicherweise mit sehr hohen Abtastraten erfasst und dann der Spulenstrom und die Spulenspannung zu bestimmten Zeitpunkten des Taktes der pulsweitenmodulierten Spannung ausgewertet.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 10 2010 028 930 A1 ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines elektrischen Bauelements einer Hydraulikeinheit für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einer Ventilspule eines Magnetventils. Dabei wird die Temperatur der Spule anhand eines Temperaturmodells, bei dem wenigstens die Größen Umgebungstemperatur, temperaturabhängiger Spulenwiderstand und elektrischer Energieeintrag in die Ventilspule eingehen, bestimmt.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 19 859 281 A1 ein Verfahren zur Kompensation einer Temperaturabhängigkeit eines Spulenwiderstands wenigstens eines Magnetventils. Zur Bestimmung der Temperatur der Spule werden der durch die Spule fließende Spulenstrom und die an der Spule anliegende Spulenspannung ermittelt. Aus dem Spulenstrom und der Spulenspannung wird der elektrische Widerstand anhand des Ohm'schen Gesetzes ermittelt. Zudem wird unter Berücksichtigung eines Temperaturkoeffizienten eines Materials der Spule die Temperatur der Spule ermittelt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Weg aufzuzeigen, wie die Temperatur einer Spule einfacher und kostengünstiger ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Spule, wobei die Spule mit einer pulsweitenmodulierten elektrischen Spannung einer Energiequelle versorgt wird, umfasst das Ermitteln einer an der Spule anliegenden Spulenspannung, das Ermitteln eines durch die Spule fließenden Spulenstroms, das Bestimmen eines elektrischen Widerstands der Spule anhand der Spulenspannung und dem Spulenstrom und das Bestimmen der Temperatur der Spule anhand des bestimmten elektrischen Widerstands und eines Temperaturkoeffizienten eines Materials der Spule, wobei die Spulenspannung anhand der von der Energiequelle bereitgestellten elektrischen Spannung, einem Tastgrad der von der Energiequelle bereitgestellten elektrischen Spannung und einer von der Energiequelle bereitgestellten Stromstärke ermittelt wird.
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Vorliegend wird die an der Spule anliegende elektrische Spulenspannung alleine aus der von der Energiequelle bereitgestellten pulsweitenmodulierten elektrischen Spannung, dem Tastgrad der elektrischen Spannung und der Stromstärke, die von der Energiequelle bereitgestellt wird, ermittelt. Die von der Energiequelle bereitgestellte elektrische Spannung und die von der Energiequelle bereitgestellte elektrische Stromstärke werden entsprechend pulsweitenmoduliert, um eine Regelung der Spule zu ermöglichen. Insbesondere wird die Spule mittels einer Stromregelung betrieben. Anhand der von der Energiequelle bereitgestellten Spannung, der von der Energiequelle bereitgestellten Stromstärke und dem Tastgrad kann der elektrische Widerstand der Spule berechnet werden. Unter Zuhilfenahme eines Temperaturkoeffizienten des Materials der Spule kann die Temperatur der Spule bestimmt werden. Dabei gibt der Temperaturkoeffizient die Änderung des elektrischen Widerstands der Spule in Abhängigkeit von der Temperatur an. Damit bedarf es keiner zusätzlichen Temperatursensoren, um die Temperatur der Spule ermitteln zu können.
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Bevorzugt wird die Spulenspannung anhand eines zeitlichen Mittelwerts der von der Energiequelle bereitgestellten elektrischen Spannung ermittelt. Vorliegend kann die von der Energiequelle bereitgestellte elektrische Spannung als ideal rechteckförmig angenommen werden. Spikes und Schwingungen der elektrischen Spannung können hierbei vernachlässigt werden. Das heißt der Mittelwert der von der Energiequelle bereitgestellten elektrischen Spannung entspricht dem Effektivwert der elektrischen Spannung. Damit bedarf es keiner hohen Abtastwerte bei der Erfassung der elektrischen Spannung.
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In einer Ausführungsform wird die Spulenspannung anhand eines zeitlichen Mittelwerts der von der Energiequelle bereitgestellten Stromstärke ermittelt. Dabei kann der gemessene Strom im Vergleich zu dem Gleichstromwert nur einen kleinen diesen überlagernden Wechselstromanteil aufweisen. Damit kann in einer ersten Näherung der gemessene Mittelwert der von der Energiequelle bereitgestellten Stromstärke gleich dem Effektivwert der Stromstärke gesetzt werden. So kann beispielsweise mit einem stark gefilterten Stromsignal, dem stark gefilterten Spannungssignal und dem Tastgrad, welche von der Regelung generiert werden und den bekannten Größen der Spule, wie dem elektrischen Widerstand und dem Temperaturkoeffizienten, die Temperatur der Spule einfach und effektiv bestimmt werden.
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Bevorzugt wird die Spulenspannung in Abhängigkeit von einer an einer Freilaufdiode abfallenden elektrischen Spannung ermittelt. Vorliegend kann zwischen die Energiequelle und die Spule eine Freilaufdiode geschaltet sein, an der zu den Zeitpunkten, an denen die Spule nicht mit der elektrischen Spannung versorgt wird, eine elektrische Spannung abfällt. Durch die Berücksichtigung der an der Freilaufdiode abfallenden elektrischen Spannung kann die Temperatur der Spule präziser ermittelt werden.
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In einer Ausführungsform wird die Spulenspannung in Abhängigkeit von einer an einem Eingangswiderstand einer mit der Energiequelle verbundenen Schalteinrichtung abfallenden elektrischen Spannung ermittelt. Zum Bereitstellen der pulsweitenmodulierten elektrischen Spannung der Energiequelle kann eine Schalteinrichtung, beispielsweise in Form eines Transistors, verwendet werden. Zur Präzisierung der Temperaturbestimmung der Spule kann die an dem Eingangswiderstand abfallende elektrische Spannung zur Ermittlung der Spulenspannung herangezogen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Spulenspannung in Abhängigkeit von einer an einem Leitungswiderstand an einer elektrischen Leitung zwischen der Energiequelle und der Spule abfallenden elektrischen Spannung ermittelt. Um die Temperatur der Spule genauer bestimmen zu können, kann zusätzlich der Leitungswiderstand einer elektrischen Leitung, die zwischen der Energiequelle und der Spule angeordnet ist, berücksichtigt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Spulenspannung in Abhängigkeit von einer an einem zwischen der Energiequelle und der Spule geschalteten Vorwiderstand abfallenden elektrischen Spannung ermittelt. Ein solcher Vorwiderstand kann beispielsweise genutzt werden, um den durch die Spule fließenden Spulenstrom genau ermitteln zu können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer Temperatur einer Spule, wobei die Spule mit einer pulsweitenmodulierten elektrischen Spannung einer Energiequelle versorgbar ist, umfasst eine Spannungserfassungseinrichtung zum Ermitteln einer an der Spule anliegenden Spulenspannung, eine Stromerfassungseinrichtung zum Ermitteln eines durch die Spule fließenden Spulenstroms und eine Recheneinrichtung zum Bestimmen eines elektrischen Widerstands der Spule anhand der Spulenspannung und des Spulenstroms und zum Bestimmen der Temperatur der Spule anhand des bestimmten elektrischen Widerstands und eines Temperaturkoeffizienten eines Materials der Spule, wobei die Spannungserfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Spulenspannung anhand der von der Energiequelle bereitgestellten elektrischen Spannung, einem Tastgrad, der von der Energiequelle bereitgestellten elektrischen Spannung und einer von der Energiequelle bereitgestellten Stromstärke zu ermitteln.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Die zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben Vorteile und Weiterbildungen können in gleicher Weise auf die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen werden.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine Schaltung, anhand der das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht wird.
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Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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Die Figur zeigt eine Schaltung 10, anhand der das Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur T einer Spule 12 erläutert werden soll. Die Spule 12 ist insbesondere als Magnetspule ausgebildet, die beispielsweise in einem Ventil oder einem Schütz verwendet werden kann. Insbesondere wird die Spule 12 in einem Kraftfahrzeug verwendet. Die Spule 12 wird mit einer pulsweitenmodulierten elektrischen Spannung USupply und einer pulsweitenmodulierten elektrischen Stromstärke I einer hier nicht dargestellten Energiequelle versorgt. Die Energiequelle kann beispielsweise durch die Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden. Um eine pulsweitenmodulierte elektrische Spannung USupply bereitstellen zu können, ist eine entsprechende Schaltvorrichtung 14 vorgesehen. Die Schaltvorrichtung 14 kann beispielsweise als Transistor ausgebildet sein. Mittels der Schalteinrichtung kann der Tastgrad der pulsweitenmodulierten elektrischen Spannung USupply eingestellt werden. Damit kann eine Regelung der Spule 12 ermöglicht werden.
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Die von der Energiequelle abgegebene elektrische Spannung USupply wird mit einer hier nicht dargestellten Spannungserfassungseinrichtung erfasst beziehungsweise gemessen. Mit der Energiequelle wird die elektrische Spannung USupply an die Spule 12 übertragen, an der die Spulenspannung USpule anliegt. In Abhängigkeit von dem Tastgrad d ergibt sich die Spulenspannung zu: USpule = dUSpule-on + (1 – d) × USpule-off.
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Die Spulenspannung USpule-on, die an der Spule 12 zu den Zeitpunkten anliegt, an denen mit der Energiequelle eine elektrische Spannung USupply bereitgestellt wird, kann nach folgender Formel berechnet werden: USpule-on = USupply – I(RShunt + RLeitung + ROn).
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Dabei entspricht der Widerstand RShunt einem elektrischen Widerstand eines Vorwiderstands, an dessen Spannungsabfall beispielsweise der durch die Spule 12 fließende Spulenstrom ermittelt werden kann. Der Widerstand RLeitung entspricht dem elektrischen Widerstand der elektrischen Leitung, die zwischen der Energiequelle und der Spule 12 angeordnet ist. Der Widerstand ROn entspricht dem elektrischen Eingangswiderstand der Schalteinrichtung 14. Die Spulenspannung USpule-off, die zu den Zeitpunkten an der Spule 12 anliegt, an denen mit der Energiequelle keine elektrische Spannung USupply bereitgestellt wird, berechnet sich nach folgender Formel: USpule-off = –UDiode – I(RShunt + RLeitung).
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Dabei entspricht die Spannung UDiode, die an einer Freilaufdiode 18 abfallenden elektrischen Spannung.
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Damit kann die Spulenspannung USpule nach folgender Formel ermittelt werden: USpule = dUSupply – dIROn + dUDiode – UDiode – IRShunt – IRLeitung.
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Vereinfacht ergibt sich: USpule = d(USupply – IROn + UDiode) – UDiode – RShunt – IRLeitung.
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Der elektrische Widerstand RSpule der Spule 12 ergibt sich gemäß dem Ohm'schen Gesetz zu: RSpule = USpule/I = d(USupply/I – ROn + UDiode/I) – UDiode/I – RShunt – RLeitung.
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Unter Zuhilfenahme des Temperaturkoeffizienten a des Materials der Spule 12 kann die Temperatur T der Spule 12 ermittelt werden: T = 20°C + (RSpule – R20)/R20a.
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Dabei entspricht der Widerstand R20 dem elektrischen Widerstand der Spule 12 bei einer Temperatur von 20°C. Die Spule 12 kann beispielsweise aus Kupfer gefertigt sein.
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Das vorliegende Verfahren ermöglicht es, anhand des stark gefilterten Stromsignals I, dem stark gefilterten Versorgungsspannungssignal USupply und dem Tastgrad d die Temperatur T der Spule 12 zu erfassen. Dabei kann nur ein Näherungswert der Temperatur T der Spule 12 ermittelt werden. Dabei kann bei der Erfassung der elektrischen Stromstärke I, die mit der Energiequelle bereitgestellt wird, ein zeitlicher Mittelwert der Stromstärke I ermittelt werden. Dieser kann in einer ersten Näherung dem Effektivwert der elektrischen Stromstärke I gleichgesetzt werden. Auch kann die von der Energiequelle bereitgestellte elektrische Spannung USupply als idealen rechteckförmig angenommen werden, wobei der Mittelwert gleich dem Effektivwert gesetzt wird. In einer weiteren Näherung können die Widerstandswerte RShunt, ROn und RLeitung als temperaturunabhängig berücksichtigt werden. ebenso kann die Temperaturabhängig der an der Diode abfallenden elektrischen Spannung UDiode in dem vorliegenden Toleranzbereich als fester Wert angenommen werden. Schließlich kann der Temperaturkoeffizient h des Materials der Spule 12 als über die Temperatur konstant angenommen werden.
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Mit dem Verfahren kann die Temperatur T der Spule 12 auf einfache Weise ermittelt werden. Dabei bedarf es keiner zusätzlichen Temperatursensoren. Zudem müssen die von der Energiequelle bereitgestellte elektrische Spannung USupply und die von der Energiequelle bereitgestellte elektrische Stromstärke I nicht mit einer hohen Abtastfrequenz erfasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltung
- 12
- Spule
- 14
- Schalteinrichtung
- 16
- Diode
- I
- Stromstärke
- RLeitung
- Widerstand
- ROn
- Widerstand
- RShunt
- Widerstand
- RSpule
- Widerstand
- UDiode
- Spannung
- USpule
- Spannung
- USupply
- Spannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010028930 A1 [0003]
- DE 19859281 A1 [0004]
