DE102013219609A1

DE102013219609A1 - Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen eines kapazitiven Aktuators

Info

Publication number: DE102013219609A1
Application number: DE201310219609
Authority: DE
Inventors: Christoph Haggenmiller; Raul Lucian Alimareanu Torok; Emilian Gheorghe Lukic
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2033-09-28
Also published as: US20150171652A1; US10181736B2; CN104518705A; DE102013219609B4; CN104518705B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen zumindest eines kapazitiven Aktuators (P1, P2), die eine Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten Leistungstransistor (T1, T2) mit jeweils parallel geschalteter Diode (D1, D2) aufweist, welche zwischen den Potentialen einer Versorgungsspannungsquelle (V0) verschaltet ist, wobei der Verbindungsknoten der beiden Leistungstransistoren (T1, T2) über eine Spule (LMAIN) mit einem Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators (P1, P2) verbunden ist, wobei zum Laden des kapazitiven Aktuators (P1, P2) der erste, den kapazitiven Aktuator (P1, P2) mit dem positiven Potential der Versorgungsspannungsquelle (V0) verbindende Leistungstransistor (T1) während einer vorgebbaren Zeitspanne periodisch leitfähig und bei Erreichen eines ersten vorgegebenen Schwellwerts (SW1) durch den Strom (IP1) durch den kapazitiven Aktuator (P1, P2) wieder sperrend gesteuert wird bis zum Erreichen eines zweiten vorgegebenen Schwellwerts (SW2), der niedriger als der erste Schwellwert ist, durch den Aktuatorstrom (IP1), wobei für den Fall, dass der Aktuatorstrom (IP1) den ersten vorgegebenen Schwellwert (SW1) nicht mehr erreicht, der erste Leistungstransistor (T1) nach einer dem von dem Aktuatorstrom (IP1) maximal erreichten Wert korrespondierenden Zeit (TIII, TIV, TV) sperrend gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen zumindest eines kapazitiven Aktuators, die eine Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten Leistungstransistor mit jeweils parallel geschalteter Diode aufweist, welche zwischen den Potentialen einer Versorgungsspannungsquelle verschaltet ist, wobei der Verbindungsknoten der beiden Leistungstransistoren über eine Spule mit einem Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators verbunden ist. Zum Laden des kapazitiven Aktuators wird der erste, den kapazitiven Aktuator mit dem positiven Potential der Versorgungsspannungsquelle verbindende Leistungstransistor während einer vorgebbaren Zeitspanne periodisch leitfähig und bei Erreichen eines ersten vorgegebenen Schwellwerts durch den Strom durch den kapazitiven Aktuator wieder sperrend gesteuert bis zum Erreichen eines zweiten vorgegebenen Schwellwerts, der niedriger als der erste Schwellwert ist, durch den Aktuatorstrom.
Ein solches Verfahren ist aus der DE 198 14 594 A1 bekannt.
In der 1 ist eine aus dieser Schrift bekannte Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen eines kapazitiven Aktuators dargestellt, wobei der kapazitive Aktuator dort beispielsweise ein Piezoaktuator zur Betätigung einer Düsennadel in einem Kraftstoffeinspritzventil sein kann. Für die Durchführung des Verfahrens kommt es jedoch lediglich auf dessen kapazitive Eigenschaft in einer Lade- und Entladeschaltung an.
In der bekannten Schaltungsanordung ist die Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten Leistungstransistor T1, T2 mit jeweils parallel geschalteten Dioden D1, D2 zwischen den Potentialen einer Versorgungsspannungsquelle V₀ verschaltet, wobei das negative Potential der Versorgungsspannungsquelle V₀ als Bezugspotential dient. Die Leistungstransistoren T1, T2 können wie im dargestellten Beispiel der 1 als MOSFETs aber auch als IGBTs wie in der DE 198 14 594 A1 oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein. Die Dioden D1, D2 sind zwischen dem positiven Potential der Versorgungsspannungsquelle V₀ und deren negativem Potential in Sperrrichtung geschaltet und können entweder explizit als Einzelbauteile vorgesehen werden oder aber als Substratdioden Bestandteil der Transistorhalbleiterchips sein.
Der Verbindungsknoten der beiden Leistungstransistoren ist über eine Spule L_MAIN mit Anschlüssen von im dargestellten Beispiel zwei Piezoaktuatoren P1, P2, die als kapazitive Aktuatoren wirken, verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse der beiden Piezoaktuatoren P1, P2 sind über ihnen jeweils zugeordnete Auswahltransistoren AT1, AT2 mit dem Bezugspotential verbunden. Zwischen der Spule L_MAIN und den Anschlüssen der kapazitiven Aktuatoren P1, P2 ist im dargestellten Schaltungsbeispiel ein Tiefpass aus einem Filterkondensator C_FILT und einer Filterspule L_FILT geschaltet, um den Ladestrom zu glätten.
Im in der 1 dargestellten Schaltungsbeispiel sind zwei kapazitive Aktuatoren P1, P2 mit jeweiligen Auswahltransistoren AT1, AT2 einander parallel geschaltet, es können jedoch auch mehr sein oder nur ein kapazitiver Aktuator, je nachdem für welche Anwendung die kapazitiven Aktuatoren dienen. Bei Verwendung in einem Kraftstoffeinspritzventil werden für einen 4-Zylinder-Motor üblicherweise vier solcher kapazitiver Aktuatoren einander parallel geschaltet sein. Bei Verwendung eines kapazitiven Aktuators in Form eines Piezoaktuators in einem Kraftstoffeinspritzventil soll der Piezoaktuator dazu dienen, in möglichst kurzer Zeit eine möglichst präzise Kraftstoffmenge einzuspritzen, wozu eine präzise Ausdehnung des Piezoaktuators erforderlich ist.
Um dies zu erreichen, muss eine genau bestimmte Menge an Ladung in einer bestimmten Zeit auf den als Kapazität wirkenden Piezoaktuator aufgebracht werden. Hierdurch hat sich, wie in der DE 198 14 594 A1 beschrieben, eine gepulste Ansteuerung der den kapazitiven Aktuator mit einer Versorgungsspannungsquelle verbindenden Leistungsschalter als vorteilhaft herausgestellt.
Eine solche Ansteuerung ist in der 2 für das Laden eines kapazitiven Aktuators, wie er in der 1 dargestellt ist, angedeutet, wobei sich für das Entladen ein ähnlicher Verlauf nur mit umgekehrter Stromrichtung ergibt.
Im unteren Diagramm der 2 ist der Strom I_P1 durch den kapazitiven Aktuator P1 dargestellt, wobei durch Schließen des ersten Leistungstransistors T1 ein Stromfluss aus der Versorgungsspannungsquelle V₀ über die Spule L_MAIN, den ersten kapazitiven Aktuator P1 und den diesem zugeordneten Auswahltransistor AT1 erfolgt. Bedingt durch die Induktivität der Spule L_MAIN wird der Stromanstieg zwar gedrosselt, aufgrund der anfänglich noch geringen Spannung U_P1 am kapazitiven Aktuator P1 wird der Anstieg jedoch trotzdem noch relativ steil sein.
Der Stromanstieg erfolgt bis zum Erreichen eines ersten Schwellwertes SW1, was üblicherweise mit einem in der 1 nicht dargestellten Strommesswiderstand ermittelt wird, wobei durch eine in der 1 ebenfalls nicht dargestellte Steuerschaltung aufgrund des Eintretens dieses Ereignisses der erste Leistungstransistor T1 wieder sperrend geschaltet wird. Daraufhin baut sich das in der Spule L_MAIN gespeicherte Magnetfeld wieder ab, indem ein Strom über die dem zweiten Leistungstransistor T2 parallel geschaltete Diode D2 fließt, wobei der Strom abnimmt, bis er entweder einen zweiten Schwellwert SW2 erreicht, der einen niedereren Wert als der erste Schwellwert SW1 aufweist, oder – wie im Beispiel der 2 – den Wert 0 Ampere erreicht, was bedeutet, dass der Stromfluss zum Erliegen kommt, da aufgrund der Sperrwirkung der Diode D2 ein Zurückschwingen der nun im kapazitiven Aktuator P1 gespeicherten Ladung über die Spule L_MAIN nicht möglich ist. Dieser Vorgang wird während einer vorzugebenden Zeitspanne periodisch wiederholt.
Unter vorzugebender Zeitspanne ist eine Zeitspanne gemeint, die entweder als definierte Zeitdauer vorgegeben ist oder aber bis zum Erreichen einer bestimmten Spannung U_P1 am kapazitiven Aktuator läuft.
Da die Spannung U_P1 am kapazitiven Aktuator P1 von Ladeperiode zu Ladeperiode mit der damit aufgebrachten Ladung ansteigt, wird die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung U_P1 am kapazitiven Aktuator P1 und der Spannung der Versorgungsspannungsquelle V₀ immer kleiner, wodurch die Steilheit des Anstiegs des Stromes I_P1 immer mehr abnimmt, wie aus der 2 zu ersehen ist. Gleichzeitig wird jedoch die Abnahme des Stroms nach dem Schließen des ersten Leistungstransistors T1 von Ladeperiode zu Ladeperiode immer schneller erfolgen. Auch dies ist in der 2 zu erkennen.
In dem in der 2 dargestellten idealen Verlauf des Ladestromes I_P1 und den daraus resultierenden Anstieg der Spannung U_P1 am kapazitiven Aktuator P1 ergibt sich ein mittlerer Ladestrom /I_P1, der nahezu konstant ist, und zu einem entsprechend linearen Anstieg der Spannung U_P1 am kapazitiven Aktuator P1 führt.
Es ist nun einerseits erwünscht, möglichst hohe Aktuatorspannungen zu erhalten, andererseits jedoch die Ausgangsspannung der Versorgungsspannungsquelle begrenzt zu halten, da diese beispielsweise mittels eines DC-DC-Wandlers aus der Spannung einer Kraftfahrzeugbatterie gewonnen werden muss. Je höher die Ausgangsspannung der Versorgungsspannungsquelle ist, desto kostspieliger ist üblicherweise der erforderliche DC-DC-Wandler.
Wenn nun während eines Ladevorgangs die Aktuatorspannung immer mehr zunimmt, wird die Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Versorgungsspannungsquelle und der Aktuatorspannung folglich immer geringer, so dass es bei begrenzter Ausgangsspannung der Versorgungsspannungsquelle vorkommen kann, dass der Ladestrom den vorgegebenen oberen Schwellwert nicht mehr erreicht und dementsprechend der Ladestrom erst zum Erliegen kommt, wenn die erste Halbwelle einer Ladeschwingung beendet ist.
Dies ist in 3 dargestellt. Die Kurve 1) zeigt einen Stromverlauf bei ausreichend großer Spannungsdifferenz zwischen dem kapazitiven Aktuator P1, P2 und der Versorgungsspannungsquelle V₀. Der obere Grenzwert SW1 wird erreicht und nach dem Öffnen des ersten Leistungstransistors T1 wird der Ladestrom über die Freilaufdiode D2 fließen und abnehmen, bis die in der Spule L_MAIN gespeicherte Energie in den kapazitiven Aktuator P1, P2 übertragen wurde. Danach beginnt üblicherweise ein neuer Ladepuls bis zur Beendigung des Ladevorgangs.
Die Kurve 2) zeigt nun den Fall, dass der Ladestrom gerade noch den oberen Schwellwert SW1 zum Zeitpunkt Ton_max erreicht und der erste Leistungstransistor T1 daher noch ausgeschaltet werden kann. Mit jedem weiteren Ladepuls wird, wie durch die Kurve 3) angedeutet, der obere Schwellwert 3) nicht mehr erreicht und infolgedessen der erste Leistungstransistor T1 nicht mehr ausgeschaltet. Der Strom verläuft daher in einer Sinushalbwelle und der Ladepuls ist erst beendet, wenn der Strom wieder 0 Ampère geworden ist, was zu einem Zeitpunkt Tosc erfolgt.
Die durch den Ladestrompuls aufgebrachte Ladung entspricht der Fläche unter der Kurve 3), wobei zu erkennen ist, dass diese Ladung deutlich größer ist, als die aufgebrachten Ladungen bei den Ladekurven 1) und 2), wodurch sich ein ungleichmäßiger Ladeverlauf und damit eine ungleichmäßige Bewegung der durch den kapazitiven Aktuator beispielsweise angetriebenen Düsennadel eines Kraftstoffeinspritzventils ergibt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 Gemäß der Erfindung soll also bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für den Fall, dass der Aktuatorstrom den ersten vorgegebenen Schwellwert nicht mehr erreicht, der erste Leistungstransistor nach einer dem von dem Aktuatorstrom maximal erreichten Wert korrespondierenden Zeitdauer, die sich an den Zeitpunkt des Erreichens des Maximalwerts anschließt, sperrend gesteuert werden.
Damit wird der Ladestrom durch eine Zeitsteuerung abgeschaltet, wobei die Zeit bis zur Abschaltung von dem zu ermittelnden maximal erreichten Strom abhängen soll. Je geringer dieses Strommaximum ist, desto länger soll der erste Leistungstransistor eingeschaltet bleiben, so dass bei jedem Ladepuls etwa dieselbe Ladung auf den kapazitiven Aktuator aufgebracht wird.
Alternativ kann gemäß Anspruch 2 die Abschaltung nach einer fest vorgegebenen Zeitdauer, die sich an den Zeitpunkt des Erreichens des Maximalwerts anschließt, erfolgen. Damit wird zwar nur eine ungenauere Aufladung des kapazitiven Aktuators erreicht, allerdings ist dieses Verfahren weniger aufwändig.
Eine weitere und zu einem besseren Ergebnis führende Alternative ist in Anspruch 3 angegeben. Danach soll eine Abschaltung erfolgen, wenn nach dem Zeitpunkt des Erreichens des Maximalwerts eine Zeitdauer abgelaufen ist, die abhängig ist von dem von dem Aktuatorstrom maximal erreichten Wert, der Zeitdauer zum Erreichen dieses Werts und dem vorgegebenen Schwellwert.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden.
Dabei zeigen die Figuren:
1 eine Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen zumindest eines kapazitiven Aktuators nach dem Stand der Technik,
2 die zeitlichen Verläufe des Ladestroms und der Ladespannung an einem kapazitiven Aktuator,
3 den Verlauf unterschiedlich großer Ladeströme bei einem vorgegebenen Abschaltschwellwert, und
4 eine erfindungsgemäße zeitgesteuerte Abschaltung des Ladestroms.
In 4 ist zunächst, wie schon in 3, der Verlauf des Stromes I_P1 durch den kapazitiven Aktuator P1 in einem Fall dargestellt, wo er groß genug ist, den oberen Abschalt-Schwellwert SW1 noch zu erreichen. Dies ist die Kurve I. Würde er nicht abgeschaltet werden, würde er – wie strichliert dargestellt – eine volle Sinushalbwelle durchlaufen, bis er wieder auf 0 Ampère abgeklungen ist.
Es ist außerdem als Kurve II der Fall dargestellt, dass der Ladestrom I_P1 gerade noch den oberen Abschalt-Schwellwert SW1 erreicht und deshalb der erste Leistungstransistor T1 ausgeschaltet wird, worauf der Strom über den Freilaufpfad mit der Diode D2 (1) zum Abklingen kommt. Die volle Sinushalbwelle ist auch hier strichliert dargestellt.
Mit den Kurven III, IV und V sind schließlich die erfindungsgemäß zeitgesteuerten Abschaltvorgänge dargestellt. Dort wird zu Zeiten T_III bzw. T_IV bzw. T_V der Strom durch den kapazitiven Aktuator P1 abgeschaltet, indem der erste Leistungsschalter T1 zu eben diesen Zeitpunkten T_III, T_IV, T_V wieder geöffnet wird wodurch der Strom I_P1 über den Freilaufpfad abklingen kann.
Diese Abschaltsteuerung erfolgt über eine in der 1 nicht dargestellt Ablaufsteuerschaltung, die beispielsweise mit einem Mikroprozessor realisiert sein kann. Dieser werden auch die gemessenen Ströme durch die kapazitiven Aktuatoren P1, P2 von nicht dargestellten Strommessschaltungen zugeführt. Die Ablaufsteuerschaltung ermittelt daraus den maximalen Wert und ggf. die Zeitdauer bis zum Erreichen dieses Werts und ordnet diesen einen Abschaltzeitpunkt T_III bzw. T_IV bzw. T_V zu. Dies kann über einen auszuführenden Algorithmus oder auch über abgespeicherte Kenndaten erfolgen. Die Abschaltzeitpunkte ergeben sich dabei aus der Summe der Zeit bis zum Erreichen des Maximalwerts druch den Strom durch den kapazitiven Aktuator und der sich daran anschließenden, erfindungsgemäß ermittelten Zeitdauer.
Auf diese Weise kann in erfindungsgemäßer Weise über die gesamte Ladezeitdauer ein Laden mit etwa gleich großen Ladungsmengen erfolgen, so dass eine gleichmäßige Ausdehnung des Aktuators erreicht werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19814594 A1 [0002, 0004, 0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen zumindest eines kapazitiven Aktuators (P1, P2), die eine Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten Leistungstransistor (T1, T2) mit jeweils parallel geschalteter Diode (D1, D2) aufweist, welche zwischen den Potentialen einer Versorgungsspannungsquelle (V₀) verschaltet ist, wobei der Verbindungsknoten der beiden Leistungstransistoren (T1, T2) über eine Spule (L_MAIN) mit einem Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators (P1, P2) verbunden ist, wobei zum Laden des kapazitiven Aktuators (P1, P2) der erste, den kapazitiven Aktuator (P1, P2) mit dem positiven Potential der Versorgungsspannungsquelle (V₀) verbindende Leistungstransistor (T1) während einer vorgebbaren Zeitspanne periodisch leitfähig und bei Erreichen eines ersten vorgegebenen Schwellwerts (SW1) durch den Strom (I_P1) durch den kapazitiven Aktuator (P1, P2) wieder sperrend gesteuert wird bis zum Erreichen eines zweiten vorgegebenen Schwellwerts (SW2), der niedriger als der erste Schwellwert ist, durch den Aktuatorstrom (I_P1), dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Aktuatorstrom (I_P1) den ersten vorgegebenen Schwellwert (SW1) nicht mehr erreicht, der erste Leistungstransistor (T1) nach einer dem von dem Aktuatorstrom (I_P1) maximal erreichten Wert korrespondierenden Zeitdauer, die sich an den Zeitpunkt des Erreichens des Maximalwerts anschließt, sperrend gesteuert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen zumindest eines kapazitiven Aktuators (P1, P2), die eine Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten Leistungstransistor (T1, T2) mit jeweils parallel geschalteter Diode (D1, D2) aufweist, welche zwischen den Potentialen einer Versorgungsspannungsquelle (V₀) verschaltet ist, wobei der Verbindungsknoten der beiden Leistungstransistoren (T1, T2) über eine Spule (L_MAIN) mit einem Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators (P1, P2) verbunden ist, wobei zum Laden des kapazitiven Aktuators (P1, P2) der erste, den kapazitiven Aktuator (P1, P2) mit dem positiven Potential der Versorgungsspannungsquelle (V₀) verbindende Leistungstransistor (T1) während einer vorgebbaren Zeitspanne periodisch leitfähig und bei Erreichen eines ersten vorgegebenen Schwellwerts (SW1) durch den Strom (I_P1) durch den kapazitiven Aktuator (P1, P2) wieder sperrend gesteuert wird bis zum Erreichen eines zweiten vorgegebenen Schwellwerts (SW2), der niedriger als der erste Schwellwert ist, durch den Aktuatorstrom (I_P1), dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Aktuatorstrom (I_P1) den ersten vorgegebenen Schwellwert (SW1) nicht mehr erreicht, der erste Leistungstransistor (T1) nach einer vorgegebenen Zeitdauer, die sich an den Zeitpunkt des Erreichens des Maximalwerts anschließt, sperrend gesteuert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen zumindest eines kapazitiven Aktuators (P1, P2), die eine Serienschaltung aus einem ersten und einem zweiten Leistungstransistor (T1, T2) mit jeweils parallel geschalteter Diode (D1, D2) aufweist, welche zwischen den Potentialen einer Versorgungsspannungsquelle (V₀) verschaltet ist, wobei der Verbindungsknoten der beiden Leistungstransistoren (T1, T2) über eine Spule (L_MAIN) mit einem Anschluss des zumindest einen kapazitiven Aktuators (P1, P2) verbunden ist, wobei zum Laden des kapazitiven Aktuators (P1, P2) der erste, den kapazitiven Aktuator (P1, P2) mit dem positiven Potential der Versorgungsspannungsquelle (V₀) verbindende Leistungstransistor (T1) während einer vorgebbaren Zeitspanne periodisch leitfähig und bei Erreichen eines ersten vorgegebenen Schwellwerts (SW1) durch den Strom (I_P1) durch den kapazitiven Aktuator (P1, P2) wieder sperrend gesteuert wird bis zum Erreichen eines zweiten vorgegebenen Schwellwerts (SW2), der niedriger als der erste Schwellwert ist, durch den Aktuatorstrom (I_P1), dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Aktuatorstrom (I_P1) den ersten vorgegebenen Schwellwert (SW1) nicht mehr erreicht, der erste Leistungstransistor (T1) nach einer dem von dem Aktuatorstrom (I_P1) maximal erreichten Wert, der Zeitdauer zum Erreichen dieses Werts und dem vorgegebenen Schwellwert abhängigen Zeitdauer, die sich an den Zeitpunkt des Erreichens des Maximalwerts anschließt, sperrend gesteuert wird.