-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung einer Stromaufnahme eines Glühzeitsteuergerätes, wobei eine vorgegebene Anzahl von Glühstiftkerzen über pulsweitenmodulierte Ansteuersignale angesteuert wird, die aus einer Betriebsspannung abgeleitet werden sowie ein Glühzeitsteuergerät.
-
Verfahren zur Begrenzung der Stromentnahme aus einer Batterie sind bereits aus der
JP 2007-315322 A und der
FR 2 991 003 A1 bekannt. Ein effizienter Betrieb einer Luftvorwärmvorrichtung wird aus der
DE 692 07 472 T2 beschrieben.
-
In modernen Glühzeitsteuergeräten werden die Glühstiftkerzen über eine Pulsweitenmodulation der Batteriespannung UBatt angesteuert, welche an dem Glühzeitsteuergerät anliegt. Die Schaltfunktion übernehmen dabei Leistungstransistoren, wobei jede Glühstiftkerze einen Leistungstransistor zur Ansteuerung aufweist. Durch Anpassung eines Taktverhältnisses (duty cycle: DC) der pulsweitenmodulierten Ansteuerung lässt sich ein Effektivwert der Kerzenspannung U_eff bzw. ein effektiver Kerzenstrom I_eff flexibel einstellen. U_eff = √DC·UBatt
-
Es sind Glühzeitsteuergeräte mit integrierter Batteriespannungskompensation bekannt, bei welchen die effektive, an den Glühstiftkerzen anliegende Spannung U_eff durch Anpassung des Taktverhältnisses so weit wie möglich konstant gehalten wird, wodurch Batteriespannungsabweichungen ausgeglichen werden.
-
Nach dem Anschalten des Glühzeitsteuergerätes wird in einer Vorheizphase, welche auch als Push-Betrieb bezeichnet wird, eine erhöhte effektive Stromaufnahme für ein möglichst schnelles Aufheizen der Glühstiftkerzen eingestellt. Für diese Vorheizphase wird daher ein hohes Taktverhältnis eingestellt (typischerweise U_eff annähernd 11 V), welches nach Erreichen der Sollglühtemperatur an der Glühstiftkerze im dauerhaften Glühbetrieb reduziert wird (typisch U_eff ungefähr 7 V oder 4,4 V).
-
Je nach verwendetem Typ der Glühstiftkerze (Keramik oder Metall) können insbesondere bei tiefen Temperaturen (–40°C) und relativ hohen Batteriespannungen (16 V) sehr hohe Einschaltströme während der Vorheizphase fließen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Stromtragfähigkeit der verwendeten elektronischen Bauelemente. Insbesondere bei der Forderung nach einem Verpolschutz (Inverse Polarity Protection: IPP), welcher durch Feldeffekttransistoren realisiert wird, ist diese Stromtragfähigkeit nur schwer zu gewährleisten, da insbesondere bei keramischen Niederspannungskerzen in der Vorheizphase sehr hohe Ströme fließen. Der maximale Kerzenstrom der Glühstiftkerze wird beim ersten Anschalten nur durch den Kerzenwiderstand und die Batteriespannung bestimmt und kann somit nicht verändert werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schädigung eines Glühstiftkerzensteuergerätes, insbesondere der den Verpolschutz realisierenden Feldeffekttransistoren, zu vermeiden.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Anzahl der gleichzeitig aktiven Glühstiftkerzen reduziert wird. Durch die Verringerung der gleichzeitig betriebenen Glühstiftkerzen wird die Stromaufnahme des Glühzeitsteuergerätes insgesamt gesenkt, wodurch die, den Verpolschutz realisierenden Feldeffekttransistoren nicht beschädigt werden. Die Abweichung vom Sollwert der effektiven Spannung wird durch das Glühzeitsteuergerät oder ein Motorsteuergerät bei der Glühsteuerung berücksichtigt, wodurch die Glühstrategie entsprechend angepasst werden kann.
-
Vorteilhafterweise erfolgt die Reduzierung der Anzahl der gleichzeitig aktiven Glühstiftkerzen in Abhängigkeit der Batteriespannung und/oder eines, eine Kerzentemperatur der Glühstiftkerzen charakterisierenden Messwertes. Dadurch wird die Gesamtstromaufnahme des Glühzeitsteuergerätes durch Limitierung der gleichzeitig aktiven Glühstiftkerzenansteuerkanäle reduziert.
-
In einer Ausgestaltung erfolgt die Reduzierung der Anzahl der gleichzeitig aktiven Glühstiftkerzen in einer Vorheizphase der Glühstiftkerzen. In dieser Vorheizphase, welche auch als Push-Phase bezeichnet wird, ist der Kerzenwiderstand, insbesondere bei kalten Temperaturen sehr klein, weshalb sehr hohe Ströme durch die Glühstiftkerzen fließen, um diese schnell aufzuheizen. Durch die Reduzierung der Anzahl der gleichzeitig betätigten Glühstiftkerzen wird somit die Stromaufnahme begrenzt und das Glühzeitsteuergerät vor Beschädigung geschützt.
-
In einer Variante wird in Abhängigkeit der Batteriespannung und/oder des, die Kerzentemperatur der Glühstiftkerzen charakterisierenden Messwertes entschieden, ob in der Vorheizphase der Glühstiftkerzen alle Glühstiftkerzen gleichzeitig betrieben werden oder ob die Anzahl der gleichzeitig betriebenen Glühstiftkerzen reduziert wird. Somit wird trotz Verhinderung der Zerstörung des Glühzeitsteuergerätes immer das schnellstmögliche Aufheizen und somit die Betriebsbereitschaft der Glühstiftkerzen gewährleistet.
-
In einer Ausführungsform erfolgt zur Reduzierung der Anzahl der gleichzeitig betriebenen Glühstiftkerzen eine Synchronisation der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale der Glühstiftkerzen. Durch eine solche Synchronisation werden zeitliche Schwankungen der Gesamtstromaufnahme des Glühzeitsteuergerätes minimiert, wobei bei Abschaltung eines Glühstiftkerzenansteuerkanals n synchron der nächsten Glühstiftkerzenansteuerkanal n + 1 eingeschaltet wird.
-
Vorteilhafterweise werden nach dem Einschalten des Glühzeitsteuergerätes die Batteriespannung und/oder der, die Kerzentemperatur der n Glühstiftkerzen charakterisierende Messwert gemessen und bei Überschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes durch die Batteriespannung und/oder bei Unterschreitung eines ersten Temperaturschwellwertes durch den, die Kerzentemperatur der n Glühstiftkerzen charakterisierenden Messwert, die Glühstiftkerzen derart pulsweitenmoduliert angesteuert, dass gleichzeitig nicht mehr als n – 1 Glühstiftkerzen bestromt werden. Um die Gesamtstromaufnahme zu reduzieren, wird bei der Verwendung von nur n – 1 Glühstiftkerzen das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals reduziert.
-
Insbesondere werden bei Überschreitung eines m-ten Spannungsschwellwertes, welcher größer ist als der erste Spannungsschwellwert, durch die Batteriespannung und/oder bei Unterschreitung eines m-ten Temperaturschwellwertes, welcher niedriger ist als der erste Temperaturschwellwert, durch den, die Kerzentemperatur der n Glühstiftkerzen charakterisierenden Messwert, die Glühstiftkerzen derart pulsweitenmoduliert angesteuert, dass gleichzeitig nicht mehr als n – m Glühstiftkerzen bestromt werden, wobei n > m ist. Durch diese Vorgehensweise kann die Anzahl der gleichzeitig aktiven Glühstiftkerzen weiter reduziert werden, wobei aber gleichzeitig auch das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals der aktiven Glühstiftkerzen reduziert wird.
-
In einer Ausgestaltung werden als Glühstiftkerzen keramische Niederspannungskerzen verwendet. Insbesondere solche keramischen Niederspannungskerzen sind bei tiefen Temperaturen bzw. relativ hohen Batteriespannungen mit hohen Einschaltströmen während der Vorheizphase beaufschlagt. Durch die Reduzierung der Anzahl der bestromten Glühstiftkerzen reduziert sich die Höhe der Einschaltströme der Glühstiftkerzen, wodurch eine Schädigung des Glühzeitsteuergerätes zuverlässig unterbunden werden kann.
-
In einer Variante wird die Reduzierung der Anzahl der gleichzeitig angesteuerten Glühstiftkerzen beendet, wenn eine vorgegebene Zeitdauer der Vorheizphase abgelaufen ist.
-
Alternativ wird die Reduzierung der Anzahl der gleichzeitig angesteuerten Glühstiftkerzen beendet, wenn ein vorgegebener Kerzentemperatur-Messwert von dem, die Kerzentemperatur der Glühstiftkerzen charakterisierenden Messwert überschritten wird und/oder eine Unterschreitung eines Kerzen-Messwertes durch einen aktuellen Kerzenstrom erfolgt. Somit wird eine Limitierung der Stromaufnahme nur zu solchen Zeitpunkten eingeleitet, bei welchen eine zu hohe Stromaufnahme und damit eine Schädigung des Glühzeitsteuergerätes unterbunden werden soll.
-
Das beschriebene Verfahren ist vorzugsweise immer dann vorteilhaft einsetzbar, wenn die Stromaufnahme des Glühzeitsteuergerätes begrenzt wird.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Glühzeitsteuergerät mit einer Einrichtung zur Begrenzung der Stromaufnahme, wobei eine vorgegebene Anzahl von Glühstiftkerzen über pulsweitenmodulierte Ansteuersignale angesteuert wird, die aus einer Betriebsspannung abgeleitet werden. Bei einem solchen Glühzeitsteuergerät sind Mittel vorhanden, die eine effektive, an den Glühstiftkerzen anliegende Spannung durch eine Reduzierung der Anzahl der gleichzeitig aktiven Glühstiftkerzen einstellen. Dies hat den Vorteil, dass bei hohen Batteriespannungen und/oder tiefen Umgebungstemperaturen eine Schädigung des Glühzeitsteuergerätes, insbesondere der in dem Glühzeitsteuergerät vorhandenen, den Verpolschutz realisierenden Feldeffekttransistoren durch zu hohe Ströme vermieden wird.
-
Vorteilhafterweise ist zwischen einem Batteriespannungseingang und Leistungstransistoren, die die Glühstiftkerzen ansteuern, mindestens ein Verpolschutzelement angeordnet, welches die Stromtragfähigkeit des Glühzeitsteuergerätes limitiert.
-
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon sollen anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
-
Es zeigen:
-
1: ein Ausführungsbeispiel für die Verschaltung eines Glühzeitsteuergerätes,
-
2: ein Beispiel für den Verlauf eines Einschaltstromes an einer kalten keramischen Glühstiftkerze,
-
3: ein erstes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren,
-
4: ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren,
-
5: Ausführungsbeispiele zur Synchronisation der Glühstiftkerzenansteuerung eines Glühzeitsteuergerätes.
-
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Glühzeitsteuergerätes 1 dargestellt, welches an eine Batteriespannung UBatt angeschlossen ist. Innerhalb des Glühzeitsteuergerätes 1 liegt die Batteriespannung UBatt an zwei parallel geschalteten Feldeffekttransistoren 2, 3, welche den Verpolschutz auf Batterieniveau realisieren. Diese Feldeffekttransistoren 2, 3 werden von einem nicht weiter dargestellten Mikroprozessor oder ASIC gesteuert, welcher auch die Leistungstransistoren der Glühstiftkerzen ansteuert. Mit dem betrachteten Glühzeitsteuergerät 1 wird ein Verbrennungsmotor angesteuert, welcher vier Zylinder aufweist, wobei für jeden Zylinder eine Glühstiftkerze 9, 10, 11, 12 vorgesehen ist. Jede dieser Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 wird von jeweils einem Leistungstransistor 5, 6, 7, 8 pulsweitenmoduliert angesteuert, wobei das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal durch den Mikroprozessor/ASIC erzeugt wird. Die Stromtragfähigkeit des beschriebenen Glühzeitsteuergerätes 1 ist durch die Feldeffekttransistoren 2, 3 auf typischerweise 200 A begrenzt.
-
Die Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 sind als keramische Niederspannungskerzen ausgebildet. Solche keramischen Niederspannungskerzen weisen in der Vorheizphase, in welcher kalte Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 auf eine Betriebstemperatur durch einen hohen Einschaltstrom aufgeheizt werden, einen Temperatur- bzw. Stromverlauf auf, wie er in 2 dargestellt ist. Dabei ist das Temperaturverhalten der Glühstiftkerze 9, 10, 11, 12 in Kurve A bei einer Temperatur von –30°C und bei einer Temperatur von +25°C in der Kurve B dargestellt. Alternativ dazu sind die Temperaturzunahmen der Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 über der Zeit dargestellt. Die Kurve C stellt dabei die anliegende Betriebsspannung UBatt dar, während die Kurve D den Kerzenstrom bei –30°C und die Kurve E den Kerzenstrom bei 25°C verdeutlicht.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren soll dabei anhand von zwei Ausführungsbeispielen in 3 und 4 näher erläutert werden. Nach der Aktivierung des Glühzeitsteuergerätes 1 wird vor Ausgabe eines Kerzenstroms zunächst die Batteriespannung UBatt und/oder ein, mit der Kerzentemperatur zusammenhängender Messwert M gemessen, welcher z. B. die Außentemperatur oder die Temperatur des Glühzeitsteuergerätes 1 sein kann. Die Außentemperatur ist als Messwert des Glühzeitsteuergerätes 1 nicht immer direkt zugänglich. Hilfsweise kann daher die Temperatur innerhalb des Glühzeitsteuergerätes 1 gemessen werden oder die Außentemperatur von einem Motorsteuergerät, welches ebenfalls nahe dem Verbrennungsmotor angeordnet ist, die durch Übermittlung über eine Kommunikationsdatenleitung, wie beispielsweise einen LIN oder CAN-Bus, an das Glühzeitsteuergerät 1 bereitgestellt werden. Die Kerzentemperatur selbst kann ohne Bestromung mit Nennstrom nicht gemessen werden und steht daher vor dem Start des Glühvorganges nicht zur Verfügung. Nach der Auswertung der bezeichneten Messwerte wird dann entschieden, ob ein sicheres Vorheizen mit dem gleichzeitigen Betrieb aller vier Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 oder eine Limitierung des Einschaltstromes durch die Reduzierung der Anzahl der gleichzeitig aktiven Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 erfolgen soll.
-
Im Weiteren wird von einem n-Zylinder-Dieselmotor mit entsprechend n Glühstiftkerzen ausgegangen, wobei beispielsweise n = 4 gewählt ist. Wenn die gemessene Batteriespannung UBatt einen ersten Spannungsschwellwert UBatt übersteigt und/oder der mit der Kerzentemperatur zusammenhängende Messwert M einen ersten Temperaturschwellwert Tn unterschreitet, dann werden die Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 so angesteuert, dass gleichzeitig nicht mehr als n – 1 Glühstiftkerzen 9, 11, 12 bestromt werden. 3 zeigt dabei den maximalen Gesamtstrom I des Glühzeitsteuergerätes 1 über der Batteriespannung UBatt. Der Gesamtstrom I des Glühzeitsteuergerätes 1 in Abhängigkeit der Batteriespannung UBatt ist für den Fall einer –40°C-kalten keramischen Glühstiftkerze 9, 10, 11, 12 mit einem Kerzenwiderstand von annähernd 200 mΩ festgelegt.
-
Das Ziel ist hierbei, die Gesamtstromaufnahme des Glühzeitsteuergerätes 1 auf unter 200 A zu begrenzen, um die Feldeffekttransistoren 2, 3 nicht in ihrer Betriebsfähigkeit einzuschränken. Ein Vierkanalbetrieb 4 K ist bis zur ersten Schwellspannung U1 der effektiven Spannung U_eff von 11,5 V erlaubt. Dabei werden alle vier Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 gleichzeitig mit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal beaufschlagt, welches ein Tastverhältnis (duty cycle) von 100% hat. Bis zu einem zweiten Schwellwert U2 der effektiven Spannung U_eff von 15 V wird auf einen Dreikanalbetrieb 3 K umgeschaltet, bei welchem nur drei Glühstiftkerzen 9, 11, 12 gleichzeitig betrieben werden, wobei das Tastverhältnis (duty cycle) maximal 75% des Ansteuersignals betragen darf. Ab dem zweiten Schwellwert U2 der effektiven Spannung U_eff von 15 V schaltet das Glühzeitsteuergerät 1 auf einen Zweikanalbetrieb 2 K, wobei gleichzeitig zwei Glühstiftkerzen 9, 10 betrieben werden, und das Tastverhältnis (duty cycle) des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals auf maximal 50% beschränkt wird.
-
Bei der Entscheidung darüber, ob zwei oder drei Glühstiftkerzen 9, 11, 12 angesteuert werden, wird geprüft, ob die Batteriespannung UBatt einen zweiten Spannungsschwellwert UBattn-1, welcher höher ist als der erste Spannungsschwellwert UBattn übersteigt und/oder der mit der Kerzentemperatur zusammenhängende Messwert M einen zweiten Temperaturschwellwert Tn-1, welcher niedriger ist als der erste Temperaturschwellwert Tn, unterschreitet. Ist dies der Fall, werden gleichzeitig nicht mehr als zwei Kerzen 9, 11 bestromt. Eine Weiterführung des Verfahrens kann entsprechend für weitere Spannungsschwellwerte UBattn-m und Temperaturschwellwerte Tn-m, erfolgen.
-
4 zeigt dabei den Verlauf der effektiven Spannung U_eff der Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 über der Batteriespannung UBatt in einem sicheren Vorheizbetrieb. Die Abweichung ΔU_eff der effektiven Sollspannung U_eff durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist deutlich ersichtlich.
-
Um die zeitlichen Schwankungen der Gesamtstromaufnahme I des Glühzeitsteuergerätes 1 zu minimieren, wird eine Synchronisation der Ansteuerung der Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 durchgeführt. Dabei wird beim Abschalten eines ersten Ansteuerkanals der Glühstiftkerze 9, 10, 11, 12 synchron der nächste Ansteuerkanal der Glühstiftkerze 9, 10, 11, 12 eingeschaltet. In 5A ist ein Vierkanalbetrieb 4 K der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale der Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 dargestellt, wobei das Tastverhältnis zwischen 100% und 75% liegt und alle vier Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 gleichzeitig aktiv sind. Die Kurve F zeigt dabei den Gesamtstrom I des Glühzeitsteuergerätes 1 über der Periodendauer, wobei im Bereich F1 alle 4 Glühstiftkerzen 9, 10, 11, 12 bestromt werden, während in dem Bereich F2 nur drei Glühstiftkerzen 9, 11, 12 angesteuert werden.
-
5B stellt den Dreikanalbetrieb 3 K dar, bei welchem maximal drei Glühstiftkerzen 9, 11, 12 gleichzeitig betrieben werden, wobei das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals der Glühstiftkerzen 9, 11, 12 zwischen 75% und 50% liegt. Auch hier ist der Gesamtstrom I durch die Kurve F bezeichnet, wobei der Bereich F1 den durch drei Glühstiftkerzen 9, 11, 12 fließenden Strom und der Bereich F2 den durch zwei Glühstiftkerzen 9, 11 fließenden Strom kennzeichnet. Um den Zweikanalbetrieb 2 K, wie er größer einer effektiven Spannung U_eff von 15 V durchgeführt wird, zu realisieren, liegt, wie in der 5C dargestellt, das Tastverhältnis zwischen 50% und 25%. Im Bereich F1 fließt dabei ein Strom durch zwei Glühstiftkerzen 9, 11, während der Bereich F2 der Kurve F die Ebbeströmung nur einer Glühstiftkerze 9 kennzeichnet.
-
In Abhängigkeit des verwendeten und erkannten Glühstiftkerzentyps kann das Verfahren zur Limitierung der Stromaufnahme des Glühzeitsteuergerätes 1 abschaltbar gestaltet sein. So kann bei Verwendung von Metallkerzen etwa auf eine Stromlimitierung verzichtet werden, da die Stromaufnahme von Metallglühstiftkerzen bei den kritischen niedrigen Temperaturen generell niedriger ist als bei keramischen Glühstiftkerzen. Die Betriebsdauer der Limitierung der Stromaufnahme kann entweder nach Erreichen einer voreingestellten Vorheizdauer (z. B. 100 ms) oder nach Überschreitung eines Kerzentemperaturmesswertes (Messung des temperaturabhängigen Widerstands der Kerze) oder nach Überschreiten eines Kerzenstrommesswertes beendet werden. Durch die Anwendung des beschriebenen Verfahrens kann die effektive Spannung U_eff reduziert werden. Die Abweichung vom Sollwert der effektiven Spannung U_eff kann an die Glühsteuerung des Glühzeitsteuergerätes 1 weitergeleitet werden, so dass die Glühstrategie entsprechend angepasst werden kann. Zum Beispiel kann dann die Dauer der Vorheizphase verlängert werden, um eine voreingestellte Push-Energie zu erreichen.
