DE102013102349B4

DE102013102349B4 - Verfahren zum Betreiben einer Glühkerze und Glühkerzensteuergerät

Info

Publication number: DE102013102349B4
Application number: DE102013102349.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bleil; Ralf Müller; Clemens Rinkert; Yasar Güncar; Markus Pados
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2033-03-09
Also published as: DE102013102349A1; US20140251978A1; US9488153B2

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Glühkerze mit pulsweiten-modulierten Spannungspulsen, die durch Steuern eines Lasttransistors (2) erzeugt werden,
wobei ein durch die Glühkerze fließender Heizstrom gemessen wird und der Tastgrad der pulsweiten-modulierten Spannungspulse in Abhängigkeit von Messwerten des Heizstroms geändert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Heizstrom mittels einer Strommessschaltung gemessen wird, durch die parallel zu dem Lasttransistor (2) ein Messstrom fließt, und
der Messwert des Heizstroms durch Multiplikation eines Messwerts des Messstroms mit einem Kilis-Faktor berechnet wird,
wobei die Temperatur der Strommessschaltung gemessen und der Kilis-Faktor in Abhängigkeit von der gemessenen Schaltungstemperatur festgelegt wird, und
wobei der Kilis-Faktor in Abhängigkeit von der Stärke des Messstroms festgelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Glühkerze mit pulsweiten-modulierten Spannungspulsen sowie ein Glühkerzensteuergerät.
Moderne Glühkerzensteuergeräte weisen für jeden Glühkerzenanschluss einen Lasttransistor auf, der von einer Steuereinheit zwischen seinem leitenden und seinem sperrenden Zustand hin und hergeschaltet wird. Auf diese Weise werden plusweiten-modulierte Spannungspulse erzeugt und an eine Glühkerze angelegt. Der Tastgrad der pulsweiten-modulierten Spannungspulse wird dabei von dem Glühkerzensteuergerät in Abhängigkeit von der Stärke des durch den Lasttransistor und die Glühkerze fließenden Heizstroms angepasst, entweder zur Regelung der Glühkerzentemperatur oder um zur Steuerung der Glühkerzentemperatur eine vorgegebene elektrische Leistung in die Glühkerze einzuspeisen.
Zur Messung des durch einen Lasttransistor fließenden Stroms sind Strommessschaltungen bekannt, die einen dem Lasttransistor parallel geschalteten Sensetransistor order anderes Halbleiterelement aufweisen. Bei derartigen Strommessschaltungen, die beispielsweise in der DE 10 2009 046 181 A1 beschrieben sind, ist der durch den Lasttransistor fließende Strom proportional zu dem durch den Sensetransistor fließenden Messstrom. Dieser Proportionalitätsfaktor wird Kilis-Faktor oder K-Faktor genannt, so dass sich der Wert des durch den Lasttransistor fließenden Stroms durch Multiplikation des Messstroms mit dem Kilis-Faktor berechnen lässt.
Lasttransistoren mit solchen Strommessschaltungen sind als integrierte Halbleiterelemente im Handel erhältlich. Beispielsweise bietet STMicroelectronics ein solches Halbleiterelement mit der Bezeichnung VND5004A-E an. Auf dem Datenblatt des Herstellers ist der Kilis-Faktor angegeben.
Aus der EP 2 254 215 A1 ist eine Schaltungsanordnung, die einen an eine Last anschließbaren Leistungsschalter und ein Senseelement aufweist. Wenn durch den Leistungsschalter ein Laststrom fließt, fließt bei dieser Schaltungsanordnung durch das Senseelement ein Sensestrom, der dem Laststrom proportional ist. Der Skalierungsfaktor zwischen dem Laststrom und dem Sensestrom wird temperaturabhängig bestimmt, so dass aus dem Sensestrom und der Temperatur der Schaltungsanordnung der Laststrom mit relativ hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Temperatur einer Glühkerze mit einer höheren Genauigkeit auf einen gewünschten Wert gebracht bzw. auf einem gewünschten Wert gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Glühkerzensteuergerät gemäß Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Untersprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine präzise Strommessung erreicht, indem der Kilis-Faktor der verwendeten Strommessschaltung in Abhängigkeit von ihrer Temperatur festgelegt wird, die zu diesem Zweck gemessen wird. Die Temperatur eines Glühkerzensteuergeräts und damit auch die Temperatur der Strommessschaltung können beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs so stark schwanken, dass dies zu einer merklichen Änderung des Kilis-Faktors führt. Indem die Temperaturabhängigkeit des Kilis-Faktors berücksichtigt wird, ist deshalb eine wesentlich präzisere Strommessung und folglich auch eine präzisere Kontrolle der Glühkerzentemperatur möglich.
Um in Abhängigkeit von der Schaltungstemperatur den Wert des Kilis-Faktors festzulegen, kann beispielsweise eine Kennlinie verwendet werden, die den Wert des Kilis-Faktors in Abhängigkeit von der Schaltungstemperatur angibt. Im einfachsten Fall genügen zwei Referenzwerte, die für unterschiedliche Temperaturen ermittelt wurden und jeweils den Wert des Kilis-Faktors bei dieser Temperatur angeben.
Eine solche Kennlinie, Referenzwerte oder andere Kalibrierdaten, mit denen ein Wert des Kilis-Faktors für eine gemessene Schaltungstemperatur bestimmt werden kann, können in einem Speicher eines Glühkerzensteuergeräts abgelegt werden. Mit diesen Kalibrierdaten kann eine Steuereinheit des Glühkerzensteuergeräts, beispielsweise ein ASIC oder ein Mikroprozessor für jede gemessene Schaltungstemperatur einen Wert des Kilis-Faktors berechnen.
Die Kalibrierdaten für eine temperaturabhängige Festlegung des Kilis-Faktors können durch Messungen an den Steuerschaltungen vor dem Einbau in ein Glühkerzensteuergerät ermittelt werden. Bevorzugt werden die Kalibrierdaten aber durch Messungen an einem Glühkerzensteuergerät ermittelt. Beispielsweise indem an das Glühkerzensteuergerät anstelle einer Glühkerze ein definierter Messwiderstand angeschlossen wird. Wenn man die Versorgungsspannung, die dem Glühkerzensteuergerät zur Verfügung stellt kennt, kann man dann den Strom, der durch den Lasttransistor fließt, als Quotient von Versorgungsspannung und Messwiderstand berechnen. Da das Glühkerzensteuergerät zugleich den Messstrom, der durch die Strommessschaltung fließt, misst, sind alle Angaben zur Bestimmung des Kilis-Faktors bei der dann vorhandenen Schaltungstemperatur vorhanden. Es genügt dann den Wert des Messwiderstands der Steuereinheit des Glühkerzensteuergeräts zur Verfügung zu stellen, die dann als Kalibrierdaten einen Referenzwert berechnen und in dem Speicher ablegen kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht deshalb vor, dass das Glühkerzensteuergerät einen Datenanschluss aufweist. Über diesen Datenanschluss können in das Glühkerzensteuergerät Kalibrierdaten für eine temperaturabhängige Festlegung des Kilis-Faktors oder Daten, aus denen die Steuereinheit des Glühkerzensteuergeräts dann solche Kalibrierdaten berechnet eingespeist werden. Beispielsweise kann über den Datenanschluss der Wert des Messwiderstands eingespeist werden, der anstelle einer Glühkerze an das Glühkerzensteuergerät angeschlossen wird, oder es kann über den Datenanschluss der Wert des Laststroms zum Zeitpunkt der Kalibrierung übermittelt werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zusätzlich zur Temperaturabhängigkeit auch eine Stromabhängigkeit des Kilis-Faktors berücksichtigt wird. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich nämlich eine weitere Verbesserung erzielen, indem der Kilis-Faktor in Abhängigkeit von der Stärke des Messstroms festgelegt wird. Bevorzugt ist deshalb bei einem erfindungsgemäßen Glühkerzensteuergerät die Steuerschaltung dafür eingerichtet, dem Kilis-Faktor einen Wert zu zuweisen, der in Abhängigkeit von einem Messwert des Messstroms unter Verwendung von Kalibrierdaten über die Stromabhängigkeit des Kilis-Faktors, die in dem Datenspeicher gespeichert sind, bestimmt wird. Die Kalibrierdaten hierfür können in gleicher Weise wie die Kalibrierdaten zur temperaturabhängigen Bestimmung des Kilis-Faktors ermittelt und in dem Speicher des Glühkerzensteuergeräts abgelegt werden. Kalibrierdaten zur tmperatur- und stromabhängigen Bestimmung des Kilis-Faktors können beispielsweise als eine Kennfläche vorliegen, die einer Kombination eines Temperaturwerts und eines Stromwerts einen Wert des Kilis-Faktors zuordnet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für jeden Lasttransistor individuelle Kalibrierdaten in dem Speicher des Glühkerzensteuergeräts gespeichert sind. Auf diese Weise lassen sich vorteilhaft auch fertigungsbedingte Schwankungen in den Kilis-Faktoren verschiedener Strommessschaltungen ausgleichen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Strommessschaltung ein integriertes Halbleiterelement ist, beispielsweise ein VND5004A-E von STMicroelectronics.
Der Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Messschaltung ist bevorzugt innerhalb eines Gehäuses des Glühkerzensteuergeräts angeordnet, beispielsweise auf einer Schaltungsträgerplatte, welche die Strommessschaltungen trägt. Als Temperatursensor kann beispielsweise ein Messwiderstand, z. B. ein PT100, verwendet werden. Messwiderstände zur Temperaturmessung werden auch als Widerstandsthermometer bezeichnet. Der Temperatursensor kann auch in ein Halbleiterbauelement integriert sein, das den Lasttransistor und die Strommessschaltung enthält.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann beispielsweise als ein Verfahren zur Temperaturregelung einer Glühkerze ausgebildet sein, bei dem aus einer Strommessung und einer Spannungsmessung der elektrische Widerstand oder eine andere temperaturabhängige Regelgröße der Glühkerze ermittelt und auf einen Sollwert geregelt wird, der einer Solltemperatur der Glühkerze zu geordnet ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Glühkerzensteuergeräts.
Das in 1 schematisch dargestellte Glühkerzensteuergerät 4 enthält eine Steuerungseinheit 1, bspw. ein ASIC oder einen Mikrokontroller, der einen Lasttransistor 2, bspw. einen MOSFET oder einen anderen Feldeffekttransistor, steuert, um dadurch eine pulsweitenmodulierte Spannung zu erzeugen, die an einem Glühkerzenanschluss 7 des Glühkerzensteuergeräts für eine Glühkerze zur Verfügung gestellt wird. Der Lasttransistor 2 kann Teil eines integrierten Halbleiterbauelements sein, das zusätzlich eine Strommessschaltung enthält, mit dem Lasttransistor 2 parallel geschaltet ist. Die Strommessschaltung enthält einen Sensetransistor 8, durch den parallel zu dem Lasttransistor 2 ein Messstrom fließt. Das Glühkerzensteuergerät weist mehrere Glühkerzenanschlüsse 7 auf, mit denen jeweils ein Lasttransistor in Reihe geschaltet ist. Der Einfachheit halber ist in 1 nur ein einziger Glühkerzenanschluss 7 dargestellt.
Die Steuereinheit 1 ändert den Tastgrad der pulsweitenmodulierten Spannungspulse in Abhängigkeit von der Stärke des Heizstroms, der durch eine an den Glühkerzenanschluss 7 angeschlossene Glühkerze fließt. Die Änderung des Tastgrads kann im Rahmen einer Steuerung der Glühkerze erfolgen, damit eine genau vorgegebene Leistung in die Glühkerze eingespeist wird, oder im Rahmen einer Temperaturregelung, bei der die Glühkerzentemperatur auf einen Sollwert der Temperatur bzw. einen Sollwert des elektrischen Widerstands der Glühkerze geregelt wird. Das Glühkerzensteuergerät enthält dazu ein Spannungsmessgerät, das in die Steuereinheit 1 integriert sein kann.
Die Steuereinheit 1 berechnet aus Messwerten des Messstroms einen Wert für den durch den Lasttransistor 2 fließenden Strom, indem der Messwert des Messstroms mit einem Kilis-Faktor multipliziert wird. Der Kilis-Faktor wird von der Steuereinheit 1 in Abhängigkeit von der Stärke des Messstroms und in Abhängigkeit von der Temperatur der Strommessschaltung gemessen. Eine Schaltungsträgerplatte, welche die Strommessschaltung mit dem Lasttransistor 2 und dem Sensetransistor 8 trägt, trägt deshalb auch einen Temperatursensor 9, bspw. einen Temperatur-Messwiderstand.
Zur Berechnung des Kilis-Faktors als Funktion der gemessenen Temperatur benötigt die Steuereinheit 1 Kalibrierdaten, die in einem Speicher 10 des Glühkerzensteuergeräts abgelegt sind. Der Speicher 10 ist ein semi-permanter Speicher, also ein Speicher, in dem gespeicherte Information beim Abschalten der Stromversorgung erhalten bleibt, aber durch Schreibvorgänge geändert werden kann, beispielsweise ein EEPROM.
Die Kalibierdaten werden erzeugt, indem anstelle einer Glühkerze ein definierter Messwiderstand 3 an den Glühkerzenanschluss 7 des Glühkerzensteuergeräts angeschlossen wird und dann über den Lasttransistor 2 eine definierte Versorgungsspannung an den Messwiderstand 3 angelegt wird. Die Steuereinheit 1 erfasst dann ein von dem Temperatursensor 9 geliefertes Temperatursignal sowie ein von der Strommessschaltung geliefertes Stromsignal, des durch den Sensetransistor 8 fließenden Messstroms. Aus dem so erhaltenen Temperaturwert und dem Wert des Messstroms berechnet die Steuereinheit 1 dann zusammen mit einem Messwert der Versorgungsspannung und dem Wert des elektrischen Widerstands des Messwiderstands 3 einen Referenzwert für den Kilis-Faktor. Diese Vorgehensweise wird bei verschiedenen Temperaturen und Stromstärken wiederholt. So werden Referenzwerte des Kilis-Faktors für verschiedene Temperaturen und Stromstärken erzeugt.
Im späteren Betrieb, wenn anstelle des Messwiderstands 3 eine Glühkerze an den Glühkerzenanschluss 7 angeschlossen ist, kann die Steuereinheit 1 dann einen Wert des Kilis-Faktors bei einem gemessen Temperaturwert und einem gemessenen Stromwert durch Interpolation und/oder Extrapolation der Referenzwerte festlegen.
Das Glühkerzensteuergerät 4 wird zur Ermittlung von Referenzwerten bei verschiedenen Schaltungstemperaturen einer Temperaturquelle 6 ausgesetzt, bspw. in einer Messzelle erwärmt oder abgekühlt. Der Wert des jeweils verwendeten Messwiderstands 3a oder der daraus resultierende Laststrom wird der Steuereinheit über einen Dateneingang 11 des Glühkerzensteuergeräts zur Verfügung gestellt, z. B. mit einem Eingabegerät 5.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Glühkerze mit pulsweiten-modulierten Spannungspulsen, die durch Steuern eines Lasttransistors (2) erzeugt werden, wobei ein durch die Glühkerze fließender Heizstrom gemessen wird und der Tastgrad der pulsweiten-modulierten Spannungspulse in Abhängigkeit von Messwerten des Heizstroms geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstrom mittels einer Strommessschaltung gemessen wird, durch die parallel zu dem Lasttransistor (2) ein Messstrom fließt, und der Messwert des Heizstroms durch Multiplikation eines Messwerts des Messstroms mit einem Kilis-Faktor berechnet wird, wobei die Temperatur der Strommessschaltung gemessen und der Kilis-Faktor in Abhängigkeit von der gemessenen Schaltungstemperatur festgelegt wird, und wobei der Kilis-Faktor in Abhängigkeit von der Stärke des Messstroms festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturabhängigkeit des Kilis-Faktors durch Verwendung einer Kennlinie oder wenigstens zwei verschiedenen Referenzwerten, die für unterschiedliche Temperaturen ermittelt wurden, berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessschaltung einen dem Lasttransistor (2) parallel geschalteten Sensetransistor (8), durch den der Messstrom fließt, aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich auch die elektrische Spannung gemessen und aus einem Spannungsmesswert und einem Messwert des Heizstrom eine temperaturabhängige Regelgröße der Glühkerze, vorzugsweise der elektrische Widerstand der Glühkerze, berechnet wird, und die Regelgröße dann auf einen Sollwert geregelt wird, der einer Solltemperatur der Glühkerze zugeordnet ist.
Glühkerzensteuergerät mit mehreren Glühkerzenanschlüssen (7), wobei jeder Glühkerzenanschluss (7) mit einem Lasttransistor (2) in Reihe geschaltet ist, einer Steuerschaltung (1) zum Steuern der Lasttransistoren (2), und einem Datenspeicher (10), dadurch gekennzeichnet, dass jedem Lasttransistor (2) eine Strommessschaltung parallel geschaltet ist, und die Steuerschaltung einen Temperatursensor (9) zur Messung der Schaltungstemperatur aufweist, wobei die Steuerschaltung (1) dafür eingerichtet ist, durch Multiplikation eines Messwertes eines durch die Strommessschaltung fließenden Messstroms mit einem Kilis-Faktor einen Wert des Heizstroms zu berechnen und dem Kilis-Faktor dafür einen Wert zu zuweisen, der in Abhängigkeit von einem Messwert der Schaltungstemperatur unter Verwendung von Kalibrierdaten über die Temperaturabhängigkeit des Kilis-Faktors, die in dem Datenspeicher (10) gespeichert sind, und in Abhängigkeit von einem Messwert des Messstroms unter Verwendung von Kalibrierdaten über die Stromabhängigkeit des Kilis-Faktors, die in dem Datenspeicher (10) gespeichert sind, bestimmt wird.
Glühkerzensteuergerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Datenanschluss (11) zum Einlesen von Kalibrierdaten oder Daten zur Berechnung von Kalibrierdaten des Kilis-Faktors.
Glühkerzensteuergerät nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Lasttransistor (2) individuelle Kalibrierdaten in dem Datenspeicher (10) gespeichert sind.
Glühkerzensteuergerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessschaltung ein integriertes Halbleiterelement ist.
Glühkerzensteuergerät nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (9) auf einer Schaltungsträgerplatte sitzt, welche die Strommessschaltung trägt.