DE102015216663A1

DE102015216663A1 - Verfahren zum Erkennen eines Überstroms beim Laden eines Piezoaktors

Info

Publication number: DE102015216663A1
Application number: DE102015216663.5A
Authority: DE
Inventors: Walter Schrod; Thomas Franz; Christoph Haggenmiller
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-09-02
Also published as: CN106487271A; DE102015216663B4; US10134974B2; US20170063113A1; CN106487271B

Abstract

Verfahren zum Erkennen eines Überstromes beim Laden eines Piezoaktors (P1, P2), wobei das Laden durch periodisches Zuschalten und Trennen des Piezoaktors (P1, P2) zu bzw. von einer Energiequelle (C) über eine Ladespule (Lm) derart erfolgt, dass nach dem Zuschalten ein Trennen erfolgt, wenn der Ladestrom (IL) einen vorgegebenen maximalen Stromwert (Imax) erreicht hat und eine Minimaleinschaltzeit (tmin) abgelaufen ist und ein Zuschalten wieder erfolgt, wenn entweder ein vorgegebener minimaler Stromwert (Imin) erreicht ist oder eine Maximalausschaltzeit (tmax) abgelaufen ist, wobei auf einen Überstrom erkannt wird, wenn ein Trennen erfolgt, wenn die Minimaleinschaltzeit (tmin) abgelaufen ist und zuvor der Ladestrom (IL) einen vorgegebenen Maximumstromwert (Max_I) erreicht oder überschritten hat oder wenn nach einem Trennen aufgrund des Erreichens des vorgegebenen Maximumstromwerts (Max_I) ein Zuschalten wieder erfolgt, wenn die Maximalausschaltzeit (tmax) abgelaufen ist, ohne dass der minimale Stromwert (Imin) erreicht wurde.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Überstroms beim Laden eines Piezoaktors, wobei das Laden durch periodisches Zuschalten und Trennen des Piezoaktors zu bzw. von einer Energiequelle über eine Ladespule erfolgt.
Ein solches Verfahren ist aus der DE 10 2013 219 609 A1 bekannt. Aus dieser Schrift ist auch eine entsprechende Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens entnehmbar. Eine solche Schaltungsanordnung soll anhand der 1 erläutert werden. Ein erster und ein zweiter Piezoaktor P1, P2 kann über eine Ladespule Lm sowie einen ersten Schalttransistor T1 mit einem als Energiequelle fungierenden Speicherkondensator C verbunden werden. In der 1 ist zwischen der Ladespule Lm und dem entsprechenden Anschluss des Piezoaktors P1, P2 eine Filterschaltung aus einem Filterkondensator Cf und einer Filterspule Lf geschaltet, wobei der Filterkondensator Cf zwischen der Ladespule Lm und dem Bezugspotential der Energiequelle C und die Filterspule Lf seriell zwischen der Ladespule Lm und den Piezoaktoren P1, P2 verschaltet sind. Zum Entladen der Piezoaktoren P1, P2 und zur Sicherstellung eines Freilaufes ist zwischen der Ladespule Lm und dem Bezugspotentialanschluss der Energiequelle C ein zweiter Schalttransistor D2 angeordnet. In Serie zu den Piezoaktoren P1, P2 ist jeweils ein Auswahltransistor TA1, TA2 angeordnet.
In 2 ist ein typischer Verlauf des Ladestromes EL bei fehlerfreiem Betrieb einer Schaltungsanordnung gemäß 1 dargestellt. So soll bei einem vollständig entladenen ersten Piezoaktor P1 zum Zeitpunkt t0 ein Ladevorgang beginnen. Hierzu wird einerseits der erste Auswahltransistor TA1 und andererseits der erste Schalttransistor T1 von einer – nicht dargestellten – Steuerschaltung leitend gesteuert. Dadurch beginnt – gebremst durch die Ladespule Lm – ein Strom aus dem Speicherkondensator C in den ersten Piezoaktor P1 zu fließen.
Für die Strombegrenzung ist einerseits ein maximaler Strom Imax vorgegeben, dessen Verlauf strichliert in der 2 dargestellt ist, andererseits ist jedoch eine minimale Einschaltzeit tmin vorgegeben, während der die Transistoren T1, TA1 eingeschaltet bleiben sollen. Dadurch gibt sich gemäß 2 im ersten Ladezyklus ein Stromverlauf für den Ladestrom IL, der mit Ablauf der minimalen Einschaltzeit tmin ein erstes Maximum erreicht, wobei aufgrund der Bedingung, dass sowohl die erste Einschaltzeit tmin erreicht ist als auch der maximale Stromwert Imax überschritten ist, zu einer Ansteuerung zumindest des ersten Schalttransistors T1 führt, die diesen wieder öffnet.
Aufgrund der Ladespule Lm wird der Ladestrom IL in den ersten Piezoaktor P1 weiterhin aufrechterhalten, nimmt jedoch kontinuierlich ab, bisher entweder ein minimaler vorgegebener Stromwert Imin oder eine maximale Ausschaltzeit tmax erreicht ist. Im Falle dieses ersten Ladezyklus erfolgt, wie aus 2 zu erkennen ist, ein Wiedereinschalten des ersten Schalttransistors T1 und/oder des ersten Auswahltransistors TA1 aufgrund des Erreichens der maximalen Ausschaltzeit tmax, wodurch der erste Schalttransistor T1 und/oder der erste Auswahltransistor TA1 wieder eingeschaltet wird und der Ladestrom IL wieder anzusteigen beginnt.
Dies erfolgt für den zweiten Ladezyklus wiederum bis zum Erreichen der minimalen Einschaltzeit tmin und auch der darauf folgende Freilaufphase wird wieder unterbrochen durch ein erneutes Betätigen des ersten Schaltelements T1 und/oder des ersten Auswahltransistors TA1 aufgrund des Erreichens der maximalen Ausschaltzeit tmax.
In den darauffolgenden Ladezyklen erfolgt ein Trennen des ersten Piezoaktors P1 von dem Speicherkondensator C aufgrund des Erreichens des Maximalwerts MAX_I des maximalen Stromwertes Imax durch den Ladestrom IL und auch ein Wiedereinschalten des ersten Schalttransistors T1 und/oder des ersten Auswahltransistors TA1 erfolgt nicht erst beim Erreichen der maximalen Ausschaltzeit tmax, sondern bereits beim Erreichen des minimalen vorgegebenen Stromwertes Imin.
Dieser Vorgang wiederholt sich bei ordnungsgemäßem Betrieb bis zum endgültigen Beenden des Ladevorganges des ersten Piezoaktors P1. Der Maximalwert MAX_I des maximalen Stromwertes Imax ist in der 2 mit einem Wert von etwa 10 bis 20 A bezeichnet, wobei außerdem ein Fehlerstrom Idiag von etwa 30 A eingezeichnet ist, bei dessen Erreichen im Falle eines fehlerhaften Überstroms der Ladevorgang zwangsweise durch die Steuereinheit beendet wird.
Der Effekt eines solchen Fehlers in Form eines Kurzschlusses über dem Piezoaktor P1, P2 ist in der 3 dargestellt und soll nach einem anfänglichen Verlauf, wie er dem der 2 beginnend mit dem Zeitpunkt t0 entspricht, zu einem Zeitpunkt t1 eintreten. In diesem Fall würde der Abbau des magnetischen Feldes in der Ladespule Lm nicht mehr durch die Ladespannung am Piezoaktor beeinflusst werden, so dass die Stromabnahme immer mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgt, und deutlich langsamer wäre. Ein Wiedereinschalten des ersten Schalttransistors T1 im Falle einer Ladung des ersten Piezoaktors P1 würde immer nach dem Erreichen der maximalen Ausschaltzeit tmax erfolgen, ohne dass die vorgegebene minimale Stromwert Imin erreicht werden würde.
Dies liegt daran, dass auch der zunehmende Ladestrom immer mit der gleichen Anstiegsgeschwindigkeit ansteigen würde, da auch hier der Einfluss der Ladespannung des Piezoaktors wegfiele und daher ein Abschalten des ersten Schalttransistors T1 immer erst nach Erreichen der minimalen Einschaltzeit tmin erfolgen würde und nicht bereits beim Erreichen des Maximalwertes MAX_I des maximalen Stromwertes Imax. Auf diese Weise würde sich, wie in 3 gezeigt, der Strom langsam aufschaukeln, bis er den Fehlerstrom Idiag erreichen würde und eine Notabschaltung durch das Steuergerät erfolgen würde.
Die Wahl dieses Fehlerstrom Idiag muss jedoch einen Kompromiss zwischen robustem Design und entstehender Kosten aufgrund der ggf. erforderlichen Stromfestigkeit der entsprechenden Bauelemente finden. Mit neuen PowerMOS-Technologien wird dieser Kompromiss jedoch immer schwieriger zu finden. Bedingt durch den für geringe Schaltverluste optimierten Aufbau werden nicht nur die erreichten Stromwerte, sondern auch die möglichen aktiven und freilaufenden Phasen überwacht, indem die minimale Einschalttmin und die maximale Ausschaltzeit tmax entsprechend eingestellt wird. Das Umschalten aufgrund des Erreichens dieser Zeitschranken ist jedoch für sich noch kein Fehler im System, sondern ein notwendiger Betriebszustand. Eine Überschreitung der Fehlerschwelle ist zwar eine hinreichende Bedingung zum Abschalten des Systems, ist jedoch meist zu spät, um den internen Kurzschluss zu verhindern bzw. die auftretenden Ströme zu begrenzen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine Lösung für das Problem anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demnach wird bei einem oben beschriebenen Verfahren zum Erkennen eines Überstromes beim Laden eines Piezoaktors, wobei das Laden durch periodisches Zuschalten und Trennen des Piezoaktors zu bzw. von einer Energiequelle über eine Ladespule derart erfolgt, dass nach dem Zuschalten ein Trennen erfolgt, wenn der Ladestrom einen vorgegebenen maximalen Stromwert erreicht hat und eine Minimaleinschaltzeit abgelaufen ist und ein Zuschalten wieder erfolgt, wenn entweder ein vorgegebener minimaler Stromwert erreicht ist oder eine Maximalausschaltzeit abgelaufen ist, der Überstrom erkannt, wenn ein Trennen erfolgt, wenn die Minimaleinschaltzeit abgelaufen ist und zuvor der Ladestrom einen vorgegebenen Maximumstromwert erreicht oder überschritten hat oder wenn nach einem Trennen aufgrund des Erreichens des vorgegebenen Maximumstromwerts ein Zuschalten wieder erfolgt, wenn die Maximalausschaltzeit abgelaufen ist, ohne dass der minimale Stromwert erreicht wurde.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Überstrom erst erkannt, wenn aufeinanderfolgend ein Trennen erfolgt, wenn die Minimaleinschaltzeit abgelaufen ist nachdem der Ladestrom einen vorgegebenen Maximumstromwert erreicht oder überschritten hat und anschließend ein Zuschalten wieder erfolgt, wenn die Maximalausschaltzeit abgelaufen ist, ohne dass der minimale Stromwert erreicht wurde.
Durch ein erfindungsgemäßes Auswerten der verschiedenen Ein- und Ausschaltbedingungen der Schalttransistoren einer Schaltungsanordnung zum Laden eines Piezoaktors kann auf sichere Weise erkannt werden, dass ein anormaler Betriebszustand vorliegt, insbesondere ein Stromwert, der größer ist als in einem normalen Betriebszustand üblich ist, vorliegt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erst dann auf einen Fehler erkannt, wenn für eine vorgegebene Anzahl von Zyklen ein Überstrom erkannt wurde. Damit kann eine höhere Robustheit des Systems erzielt werden und Fehlerkennungen vermieden werden.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung führt jedes Erkennen eines Überstromes zu einer Erhöhung eines Fehlerzählerstandes und es wird erst auf einen Fehler erkannt, wenn der Fehlerzählerstand einen vorgegebenen Wert erreicht.
Der Fehlerzählerstand kann also erhöht werden, wenn lediglich der Maximalstromwert überschritten wird und erst anschließend die Minimaleinschaltzeit erreicht wird und daraufhin ein Trennen erfolgt oder nur erhöht werden, wenn die Maximalausschaltzeit abgelaufen ist, ohne dass der minimale Stromwert erreicht wurde. Dabei können die beiden Überstrombedingungen zu einer unterschiedlichen Erhöhung des Fehlerzählerstandes führen, beispielsweise kann bei der Trennung aufgrund des Ablaufens der Minimaleinschaltzeit der Fehlerzählerstand um lediglich Eins erhöht werden, während der Fehlerzählerstand beim Zuschalten, wenn die Maximalausschaltzeit erreicht wurde, um Zwei erhöht wird oder umgekehrt. Für eine Fehlererkennung spielt nur der Fehlerzählerstand selbst eine Rolle und nicht die Art der Überstromerkennung.
Im Verlauf des Ladestromes IL, wie in der 3 dargestellt ist, soll wie bereits oben gesagt ein Kurzschluss über dem Piezoaktor zum Zeitpunkt t1 auftreten, wodurch die erste Bedingung erfüllt ist, dass ein Trennen des Piezoaktors von der Energiequelle zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem einerseits der maximale Stromwert Imax erreicht oder überschritten ist und andererseits die minimale Einschaltzeit ebenfalls erreicht bzw. abgelaufen ist. Die zweite Bedingung tritt nun ebenfalls auf, dass ein Wiedereinschalten des Schalttransistors T1 erfolgt, nachdem die maximale Ausschaltzeit tmax erreicht ist, ohne dass der vorgegebene minimale Stromwert Imin erreicht wäre.
Im dargestellten Beispiel tritt dieser Fall in einem mit einer 3 bezeichneten Zyklus auf. Es ist deutlich zu sehen, dass die gleichen Bedingungen ebenfalls in den nachfolgenden Zyklen 4, 5 und 6 auftreten, wobei schließlich in einem darauffolgenden siebten Zyklus der Fehlerstromwert Idiag erreicht werden würde.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahme kann jedoch schon zu einem früheren Zeitpunkt beispielsweise im vierten oder im fünften Zyklus entschieden werden, dass ein Überstrom aufgrund eines Kurzschlusses vorliegt und eine Abschaltung des Systems erfolgen, um Überhitzung und Zerstörung der Bauteile zu verhindern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013219609 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Überstromes beim Laden eines Piezoaktors (P1, P2), wobei das Laden durch periodisches Zuschalten und Trennen des Piezoaktors (P1, P2) zu bzw. von einer Energiequelle (C) über eine Ladespule (Lm) derart erfolgt, dass nach dem Zuschalten ein Trennen erfolgt, wenn der Ladestrom (IL) einen vorgegebenen maximalen Stromwert (Imax) erreicht hat und eine Minimaleinschaltzeit (tmin) abgelaufen ist und ein Zuschalten wieder erfolgt, wenn entweder ein vorgegebener minimaler Stromwert (Imin) erreicht ist oder eine Maximalausschaltzeit (tmax) abgelaufen ist, wobei auf einen Überstrom erkannt wird, wenn ein Trennen erfolgt, wenn die Minimaleinschaltzeit (tmin) abgelaufen ist und zuvor der Ladestrom (IL) einen vorgegebenen Maximumstromwert (Max_I) erreicht oder überschritten hat oder wenn nach einem Trennen aufgrund des Erreichens des vorgegebenen Maximumstromwerts (Max_I) ein Zuschalten wieder erfolgt, wenn die Maximalausschaltzeit (tmax) abgelaufen ist, ohne dass der minimale Stromwert (Imin) erreicht wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Überstrom erst erkannt wird, wenn aufeinanderfolgend ein Trennen erfolgt, wenn die Minimaleinschaltzeit (tmin) abgelaufen ist nachdem der Ladestrom (IL) einen vorgegebenen Maximumstromwert (Max_I) erreicht oder überschritten hat und anschließend ein Zuschalten wieder erfolgt, wenn die Maximalausschaltzeit (tmax) abgelaufen ist, ohne dass der minimale Stromwert (Imin) erreicht wurde.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem erst auf einen Fehler erkannt wird, wenn für eine vorgegebene Anzahl von Zyklen ein Überstrom erkannt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jedes Erkennen eines Überstromes zu einer Erhöhung eines Fehlerzählerstandes führt und auf einen Fehler erkannt wird, wenn der Fehlerzählerstand einen vorgegebenen Wert erreicht.