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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Laststroms durch einen mit einem Halbleiterschalter in Reihe geschalteten elektrischen Verbraucher sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Die Aufgabe, schnell veränderliche Ströme und Widerstände von Aktoren z.B. im Kraftfahrzeug zur Regelung von Funktionen wie Kraftstoffzumessung oder Abgasregelung kostengünstig zu erfassen, ist eine Standardaufgabe, die bisher durch Messung des Spannungsabfalls an einem Shuntwiderstand im zumessenden Stromkreis gelöst wird. Shuntwiderstände haben unter anderem den Nachteil, dass sie erhebliche Kosten verursachen, einen relativ hohen Platzbedarf auf der Leiterplatte benötigen und zudem bei höheren Strömen eine nicht zu vernachlässigende Verlustleistung erzeugen.
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Aus der
DE 101 12 217 B4 ist bekannt, den Spannungsabfall in einer oder mehreren Phasen eines Generators zu bestimmen, wobei beispielsweise eine Diode oder ein anderes elektrisches Bauelement anstelle eines Shuntwiderstandes eingesetzt werden kann. Neben dem Spannungsabfall an einem elektrischen Bauelement wie einer Diode oder einem Transistor kann auch der Spannungsabfall über dem Bahnwiderstand sowie an einem diskreten elektrischen Widerstand erfasst werden. Damit steht zwar auch nur eine Ersatzgröße, nämlich der ermittelte Spannungswert zur Ermittlung des Wertes für den Generatorstrom zur Verfügung; jedoch lässt sich aus diesem in einfacher Weise und ohne Zugriff auf Generator-Kennfelder der aktuelle Wert des Generator-Ausgangsstroms ermitteln.
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Die
EP 1 630 564 B1 offenbart eine Strombestimmung durch Messung der Drain-Source-Spannung eines Feldeffekttransistors, der als elektrisches Schaltelement zum Schalten des Laststromes in einer Injektoransteuerung eingesetzt werden kann. Dabei soll eine entsprechende Schaltung auch teure und groß bauende Shuntwiderstände ersetzen. Die Drain-Source-Spannung ist jedoch stark von der Temperatur und weiteren Betriebsparametern des Feldeffekttransistors abhängig. In diesem Dokument wird zur Temperaturkompensation ein PTC-Widerstand eingesetzt, der als Silizium-Bauelement einen ähnlichen Temperaturgang aufweist wie ein Feldeffekttransistor und daher zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit dienen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bestimmen eines Laststroms durch einen mit einem Halbleiterschalter in Reihe geschalteten elektrischen Verbraucher sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, zu einem zweiten Zeitpunkt (d.h. eigentliche Messung) den Laststrom durch den Halbleiterschalter aus dem zugehörigen Spannungsabfall und dem Einschaltwiderstand zu bestimmen, wobei der Einschaltwiderstand möglichst unmittelbar zuvor zu einem ersten Zeitpunkt in einem eigenen Messschritt bestimmt wird.
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Wesentliche Vorteile der Erfindung sind, dass eine zuverlässigere und weniger fehlerbehaftete Laststrommessung für verschiedene elektrische Verbraucher, wie z.B. elektromagnetische Aktoren bzw. Spulen oder Heizwiderstände, vorgenommen werden kann, die über Halbleiterschalter eingeschaltet werden und mit einer Spannung versorgt werden, ohne dass hierfür ein Shuntwiderstand im Strompfad zur Strommessung verwendet werden muss. Stattdessen dient der Einschaltwiderstand des entsprechenden Halbleiterschalters als Ersatz für den Shuntwiderstand. Dessen aktueller Wert wird in einem vorausgehenden Mess- bzw. Kalibrierschritt ermittelt, um so insbesondere dem Temperaturgang zu begegnen.
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Durch ein Messverfahren, z.B. mittels eines genauen diskreten Referenzwiderstandes oder eines bekannten Messstroms, wird die Strommessung geeicht. Der benötigte Referenzwiderstand kann insbesondere als sehr preisgünstiger SMD-Widerstand ausgebildet sein, während ein Shuntwiderstand sehr viel größer und teurer ist und erhebliche Verlustleistung erzeugt, da er für hohe Arbeitsströme ausgelegt sein muss.
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Vorteilhaft wird der Einschaltwiderstand aus dem Spannungsabfall dividiert durch einen zu dem ersten Zeitpunkt durch den Halbleiterschalter fließenden Messstrom bestimmt. Dies stellt eine sehr einfache Methode zur Bestimmung des Einschaltwiderstands dar. Für eine spätere, zu dem zweiten Zeitpunkt vorgesehene Laststrommessung wird der genaue aktuelle Einschaltwiderstand des Halbleiterschalters benötigt.
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Vorteilhaft wird der zu dem ersten Zeitpunkt durch den Halbleiterschalter fließende Messstrom aus einer zu dem ersten Zeitpunkt an einem Referenzwiderstand mit bekanntem Widerstandswert abfallenden Spannung bestimmt. Eine Strombestimmung aus einem Spannungsabfall an einem bekannten Referenzwiderstand ist einfacher und genauer durchzuführen als eine direkte Strommessung. Der Vorteil gegenüber einem Shuntwiderstand ist, dass ein Referenzwiderstand wesentlich genauer, mit geringerer Temperaturabhängigkeit, mit geringerer Leistungsbelastbarkeit und zugleich kleiner und preiswerter gewählt werden kann, da er nicht dazu ausgelegt sein muss, den (hohen) Laststrom zu leiten.
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Vorteilhaft wird der Referenzwiderstand zu dem ersten Zeitpunkt in Reihe mit dem Halbleiterschalter geschaltet und zu dem zweiten Zeitpunkt nicht in Reihe mit dem Halbleiterschalter geschaltet. Der Vorteil ist, dass zu dem ersten Zeitpunkt eine genaue Messung des Einschaltwiderstandes des Halbleiterschalters stattfinden kann und die zu dem zweiten Zeitpunkt ohne den Referenzwiderstand stattfindende Messung des Laststromes durch den Verbraucher dadurch geeicht werden kann und der Referenzwiderstand nicht im Laststromkreis des Verbrauchers verbleibt und daher insbesondere nicht hochbelastbar sein muss.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der zu dem ersten Zeitpunkt durch den Halbleiterschalter fließende Messstrom durch eine, vorzugsweise Halbleiterschalter und/oder Operationsverstärker aufweisende, Stromquelle erzeugt. Anstelle eines Referenzwiderstandes kann auch eine Stromquelle eingesetzt werden, um den Einschaltwiderstand des Halbleiterschalters zu bestimmen. Der Vorteil ist, dass eine noch höhere Messgenauigkeit erreicht werden kann.
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Vorteilhaft ist der Einschaltwiderstand des Halbleiterschalters ein Drain-Source-Widerstand, insbesondere ein Einschaltwiderstand, eines Feldeffekttransistors. Als Halbleiterschalter werden vorzugsweise Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFETs oder IGBTs, eingesetzt.
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Vorteilhaft wird für die Bestimmung des Einschaltwiderstands zu dem zweiten Zeitpunkt ein von dem Laststrom durch den Halbleiterschalter zu dem zweiten Zeitpunkt verursachter Temperaturanstieg gegenüber dem ersten Zeitpunkt berücksichtigt. Der Vorteil ist, dass keine weitere Temperaturkompensation erforderlich ist.
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Vorteilhaft wird der Temperaturanstieg aus einem Energieeintrag und einem thermischen Widerstand des Halbleiterschalters bestimmt. Der Vorteil ist, dass eine Veränderung des Einschaltwiderstandes des Halbleiterschalters aufgrund einer durch einen Energieeintrag in den Halbleiterschalter erfolgten Temperaturänderung berücksichtigt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Einschaltwiderstand des Halbleiterschalters zu einem dritten Zeitpunkt nach dem zweiten Zeitpunkt gemessen und daraus eine Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstands bestimmt. Der Vorteil ist, dass der Energieeintrag im Wesentlichen zu dem zweiten Zeitpunkt erfolgt und die Veränderung des Einschaltwiderstandes durch den Temperaturgang des Halbleiterschalters daher vorteilhaft nach dem zweiten Zeitpunkt, zu einem dritten Zeitpunkt, gemessen wird. Wie bereits oben angesprochen, kann der Temperaturanstieg aus dem Energieeintrag und dem thermischen Widerstand des Halbleiterschalters bestimmt werden, so dass daraus insgesamt die Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstands bestimmt werden kann.
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Vorteilhaft ist der zeitlich Abstand zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt kleiner als 10 µs, vorzugsweise kleiner als 1 µs. Ein derartiger Zeitraum wird bevorzugt, da sich der Einschaltwiderstand des Halbleiterschalters nicht wesentlich verändert. Insbesondere liegt der erste Zeitpunkt möglichst unmittelbar vor dem zweiten Zeitpunkt. Insbesondere findet, vorzugsweise so kurz wie möglich, vor jeder Last-Bestromung des elektrischen Verbrauchers die Bestimmung des Einschaltwiderstands statt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Laststrom durch den Verbraucher auf einen Sollwert geregelt. Der Vorteil ist, dass für eine derartige Regelung zuverlässige und genaue Messwerte des Laststromes vorliegen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Laststrom durch einen elektrischen Verbraucher in einem Kraftfahrzeug bestimmt. Der Vorteil ist die Möglichkeit einer Funktionskontrolle des elektrischen Verbrauchers.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine Schaltung zur Strommessung mit einem in Serie zum Halbleiterschalter angeordneten Referenzwiderstand, der nach Ubat geschaltet werden kann.
- 2 zeigt schematisch eine Schaltung zur Strommessung mit einem in Serie zum Halbleiterschalter angeordneten Referenzwiderstand, der wahlweise nach Ubat oder nach Masse geschaltet werden kann.
- 3 zeigt schematisch eine Schaltung zur Strommessung mit einer Stromquelle anstelle eines Referenzwiderstandes.
- 4 zeigt schematisch eine Schaltung zur Strommessung mit einem parallel zum Halbleiterschalter angeordneten Referenzwiderstand.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei denen zur Bestimmung des Laststromes durch einen elektrischen Verbraucher der Spannungsabfall über einem mit dem Verbraucher in Reihe geschalteten Halbleiterschalter, welcher den entsprechenden Verbraucher z.B. zur Regelung von Funktionen z.B. im Kraftfahrzeug ein bzw. ausschaltet, gemessen wird. Als Halbleiterschalter werden bevorzugt, aber nicht ausschließlich Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFETs, eingesetzt, die entsprechend ihrer Schaltleistung durch ihren Einschaltwiderstand RDSon charakterisiert sind. Dieser Einschaltwiderstand besitzt auf Grund der Materialeigenschaften des Siliziums einen erheblichen Temperaturgang. Die Temperaturänderung des Einschaltwiderstandes durch die Eigenverlustleistung ist jedoch vernachlässigbar, solange die Einschaltdauer des Halbleiterschalters nur kurz genug und sein dynamischer Wärmewiderstand gering ist, so dass keine nennenswerte Erwärmung auftritt. Unter diesen Voraussetzungen ist es möglich, zu einem ersten Zeitpunkt den Einschaltwiderstand des Halbleiterschalters in einem Kalibrierschritt zu bestimmen und zu einem zweiten Zeitpunkt den Laststrom durch den Verbraucher zu bestimmen, welcher in Serie zu dem Halbleiterschalter geschaltet ist.
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In 1 wird eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anhand einer Schaltung zum Betrieb eines Kraftstoffhochdruckeinspritzventils V1 als elektrischen Verbraucher für Kraftfahrzeuge erläutert.
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Die dargestellten Elemente werden für den Betrieb des Hochdruckventils im Allgemeinen eingesetzt. Die Schaltung weist einen hier als MOSFET ausgebildeten Halbleiterschalter T1 auf, welcher einen ersten Anschluss des Ventils V1 mit einem Masseanschluss Gnd verbindet, einen weiteren hier als MOSFET ausgebildeten Halbleiterschalter T2, welcher einen zweiten Anschluss des Ventils V1 während einer Haltephase mit einem positiven Batteriespannungsanschluss Ubat verbindet, und einen dritten hier als MOSFET ausgebildeten Halbleiterschalter T4, welcher während einer schnellen Anzugsphase (Boosterphase) den zweiten Anschluss des Ventils V1 mit einer höheren Spannung (Boosterspannung) Uboost verbindet. Zur Entkopplung der Boosterspannung Uboost von der Batteriespannung Ubat wird ein weiterer hier als MOSFET ausgebildeter Halbleiterschalter T3 in Back to Back-Anordnung zum Transistor T2 eingesetzt, welcher das Ventil V1 während der Haltephase mit der Batteriespannung Ubat verbindet. Alternativ kann eine in 1 nicht dargestellte Diode eingesetzt werden, die während der Boosterphase verhindert, dass die Boosterquelle mit der normalen Batterie über eine Rückwärtsdiode des Halbleiterschalters T2 kurzgeschlossen wird. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass der in 1 angedeutete Shuntwiderstand R7, welcher im Allgemeinen im Laststromkreis angeordnet ist, nicht benötigt wird.
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Die vorzugsweise in einem ASIC integrierten Elemente zur Messung und Ablaufsteuerung sind in 1 nicht dargestellt. Zur Bestimmung des Einschaltwiderstandes RDSon des Halbleiterschalters T1 zu dem ersten Zeitpunkt dient ein Referenzwiderstand R6.
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Die Bestimmung des Einschaltwiderstandes des Halbleiterschalters T1 erfolgt in der Weise, dass zu einem ersten Zeitpunkt die Einschaltspannung des Halbleiterschalters T1, welcher den ersten Ventilanschluss mit Masse Gnd verbindet, über einen Operationsverstärker OP1 erfasst und an einen Messeingang IC, z.B. einer in 1 nicht dargestellten integrierten Schaltung (IC), wie z.B. Mikrocontroller oder ASIC. Der IC verfügt zweckmäßigerweise über einen Datenspeicher, in welchem ein Ablaufprogramm programmierbar und ablauffähig ist. Auch der Operationsverstärker OP1 und der Halbleiterschalter an dessen Ausgang sind vorteilhaft Bestandteil des IC.
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Bei bekanntem Einschaltwiderstand RDSon des Halbleiterschalters T1 kann zu dem zweiten Zeitpunkt der Laststrom durch das Ventil V1 ermittelt werden. Gleichzeitig ist es möglich, das Ventil V1 und alle Schaltelemente vor dem Einschalten des Ventils V1 auf korrekte Funktion zu überwachen und gleichzeitig den Einschaltwiderstand des Halbleiterschalters, welcher zur Laststrommessung vorgesehen ist, zu bestimmen. Hierzu weist die Schaltung in 1 den Referenzwiderstand R6 vom Verbindungspunkt der Halbleiterschalter T2 und T3 zum positiven Batteriespannungsanschluss Ubat auf. Der Referenzwiderstand R6 sollte hinreichend genau sein, wobei eine absolute Genauigkeit von 1% für die geforderte Messaufgabe im Allgemeinen hinreichend ist.
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Die Bestimmung des Einschaltwiderstandes RDSon dem ersten Zeitpunkt und des Laststromes durch den Verbraucher zu dem zweiten Zeitpunkt läuft gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wie folgt ab.
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Nach (optionaler) Überprüfung aller Halbleiterschalter auf korrekte Funktion sowie aller Ventilanschlüsse auf Kurzschluss nach Masse oder nach der positiven Batteriespannung und auf Wicklungskurzschluss bzw. Kurzschluss des Ventils V1, erfolgt zu dem ersten Zeitpunkt vor dem Einschalten des Ventils V1 eine Bestimmung des Einschaltwiderstandes des Halbleiterschalters T1 (Kalibrierung).
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Hierzu wird der Halbleiterschalter T1 eingeschaltet, während alle anderen Halbleiterschalter gesperrt bleiben. Am Drain-Anschluss des Halbleiterschalters T1 wird zu dem ersten Zeitpunkt eine Spannung gegenüber Masse Gnd gemessen, welche durch einen Strom erzeugt wird, der über das Ventil V1, die Rückwärtsdiode des Halbleiterschalters T3 und den Referenzwiderstand R6 aus dem positiven Batteriespannungsanschluss Ubat fließt. Dieser Strom errechnet sich aus dem Spannungsabfall über dem Referenzwiderstand R6 zu IR6=UR6/R6 und kann durch Messmittel MU wie einen weiteren Operationsverstärker des in 1 nicht dargestellten IC erfasst werden.
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Die Größe des gemessenen Stromes ergibt sich im Wesentlichen durch die Batteriespannung abzüglich der Dioden-Flussspannung des Halbleiterschalters T3, dividiert durch die Summe aus dem Wert des Referenzwiderstandes R6 und dem Ventilwiderstand (IR6=(Usat - UDiode(T3))/(R6+Rventii).
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Durch Messung des Spannungsabfalls UDS(T1) am Halbleiterschalter T1 lässt sich dessen Einschaltwiderstand errechnen (RDSon = R6 * UDS(T1)/UR6), der nunmehr bekannt ist und in einem Datenspeicher des ASIC abgelegt werden kann.
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In einem weiteren Schritt kann das Ventil V1 über den Halbleiterschalter T4 mit der Boosterspannung Uboost zur Schnelleinschaltung verbunden werden. Dabei ist der Laststrom durch das Ventil V1 über die Messung der Drainspannung des Halbleiterschalters T1 geteilt durch den zuvor bestimmten Einschaltwiderstand RDSon bestimmbar und kann entsprechend den Ventilanforderungen zur Erzielung der gewünschten Funktion, z.B. der Kraftstoffeinspritzmenge, geregelt werden.
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Eine mögliche signifikante thermische Drift des Einschaltwiderstandes RDSon(T1) während der Ventileinschaltzeit kann durch Berechnung des Energieeintrags in den Halbleiterschalter und dessen bekannten thermischen Widerstand und Temperaturgang berücksichtigt werden. Die thermischen Parameter des Halbleiterschalters sind vorzugsweise durch erneute Bestimmung des Einschaltwiderstandes nach dem Ende der Einschaltphase bestimmbar und speicherbar. Die Bestimmungsvorgänge, die vor jeder Ventilbetätigung ablaufen können und die normalerweise in wenigen µs bis einigen 10 µs beendet sind, können zur laufenden Überwachung aller Komponenten im Ventilkreis, insbesondere des Ventils V1 selbst, eingesetzt werden.
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Andere Schaltungsvarianten zur Bestimmung des Einschaltwiderstandes des Halbleiterschalters T1 sind denkbar.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Referenzwiderstand R6 ist in dieser Variante durch eine wiederum in 2 nicht dargestellte integrierte Schaltung (IC) schaltbar ausgeführt. Dies ermöglicht einen vom Referenzwiderstand R6 unabhängigen Betrieb des Ventils V1 sowie eine bessere Diagnose von Fehlern. Insbesondere in der Entladephase des Ventils V1, in welcher der Laststrom durch das Ventil V1 über die Freilaufdiode D1 fließt, würde durch den Referenzwiderstand ein Zusatzstrom fließen, was in der Regel unerwünscht ist.
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Ein unabhängig nach Ubat bzw. Masse schaltbarer Referenzwiderstand R6 hat den Vorteil, dass nicht nur der Halbleiterschalter T1, welcher das Ventil V1 nach Masse schaltet, sondern auch der Einschaltwiderstand RDSon(T2) des Halbleiterschalters T2, der das Ventil V1 mit der positiven Batteriespannung Ubat verbindet, bestimmt und zur Laststrombestimmung eingesetzt werden kann. Dadurch kann der Laststrom in allen Betriebszuständen des Ventils V1 gemessen werden, z.B. während der schnellen Aufladung über Uboost, während der normalen Aufladung über Ubat und während des Freilaufs über D1 durch Bestimmung von RDSon(T1) und während der schnellen Abschaltung bzw. Entladung durch Bestimmung des Ventilstromes durch T2, und des Einschaltwiderstandes RDSon(T2).
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Vorteilhafterweise sind die Halbleiterschalter T7 und T8, die Operationsverstärker OP2 und OP1 und der Halbleiterschalter an dessen Ausgang Bestandteil des IC.
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Die Bestimmung des Einschaltwiderstandes des Halbleiterschalters T2 (RDSon(T2)) erfolgt analog zum Halbleiterschalter T1 mittels eines weiteren Operationsverstärkers OP2. Dabei ist es von Vorteil, wenn die über dem Halbleiterschalter T2 gemessene Spannung verstärkt und auf Masse bezogen einem Eingang des ASIC bzw. des Mikrocontrollers zur Verfügung gestellt wird. Dies geschieht über einen Widerstand R3, über dem die gleiche Spannung wie am Halbleiterschalter T2 abfällt. Der Strom durch R3 fließt ebenfalls durch die Ausgangsstufe des Operationsverstärkers OP2 auf einen mit einem Anschluss mit Masse verbundenen Widerstand R4, über dem dann die um den Faktor R4/R3 verstärkte Spannung dem ASIC bzw. Mikrokontroller zur Verfügung gestellt wird. Gemäß 3 kann es von Vorteil sein, in den Einspeisepunkt für den Messstrom am Verbindungspunkt der beiden Halbleiterschalter T2, T3 (in Figur funktional als DiodeD3 dargestellt) einen aus einer Konstantstromquelle T9/T10 abgeleiteten Strom einzuspeisen, welcher sowohl in den Einspeisepunkt hinein oder aus diesem herausfließen kann. Dies hat den Vorteil, dass der Strom in den Einspeisepunkt nicht mehr als Spannung über einem Referenzwiderstand gemessen werden muss, sondern bekannt ist.
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In 3 ist beispielhaft eine Schaltung dargestellt, welche in den Einspeisepunkt einen derartigen Messstrom einspeisen kann. Für den Fall, dass es gewünscht ist, einen Strom herausfließen zu lassen, um z.B. den Halbleiterschalter T2 zu prüfen und dessen Einschaltwiderstand zu bestimmen, wäre ein entsprechender Strom über einen weiteren auf Masse bezogenen Stromspiegel einkoppelbar.
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Der Vorteil einer solchen Schaltung besteht u.a. darin, dass beide Ströme unterschiedlich eingestellt werden können, z. B. durch die Wahl unterschiedlicher Flächen der integrierten Halbleiterschalter der gekoppelten Stromspiegel, und nur ein diskreter Referenzwiderstand hierfür benötigt wird.
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Die Konstantstromquelle wird in 3 gespeist von einer schaltbaren Stromquelle, die vorzugsweise Bestandteil eines in 3 nicht dargestellten IC sein kann. Diese besteht aus einer Spannungsquelle mit einer Ausgangsspannung Ustab von z.B. 5 V, einem Operationsverstärker OP3 mit einem als Spannungsfolger geschalteten Halbleiterschalter T11, welcher durch einen Schalter S1 nach einem Ablaufprogramm ein- und ausgeschaltet werden kann, sowie aus einem diskreten Referenzwiderstand R8. Der durch den Referenzwiderstand R8 fließende und bekannte Messstrom IR8 = Ustab/R8 wird über den Halbleiterschalter T11 an die Stromquelle T9/T10 geleitet.
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Vorteilhafterweise sind auch die Halbleiterschalter T9 und T10, der Operationsverstärker OP1 und der Halbleiterschalter an dessen Ausgang Bestandteil des IC.
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In 4 ist eine Schaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier soll der Laststrom durch einen Heizwiderstand R9 als Last gemessen werden, welcher einen spezifischen Temperaturgang aufweist. Durch Bestimmung des Laststromes durch den Heizwiderstand R9 und der Spannung an diesem Widerstand bzw. durch Bestimmung des Laststromes und des Widerstandwertes des Heizwiderstands R9 ist es möglich, eine Leistungsregelung für die Beheizung einer Fahrzeugkomponente oder eines Sensors durchzuführen, z. B. die Beheizung einer Sauerstoffmesssonde (Lambda-Sondenheizung) zur Regelung der Abgaszusammensetzung von Kraftfahrzeugen. Der Widerstandswert des Lambda-Sonden-Heizwiderstandes ist ein Maß für die Temperatur der Messsonde, welche geregelt werden soll. Eingeschaltet wird der Heizwiderstand R9 über den Halbleiterschalter T1. Zur Temperaturregelung der Sonde ist er beispielsweise periodisch mit variablem Tastverhältnis ein- und auszuschalten.
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Zur Bestimmung des Stromes durch den Heizwiderstand R9 wird dieser vor dem Einschalten des Halbleiterschalters T1 zu dem ersten Zeitpunkt mit einem Konstantstrom aus einer schaltbaren Stromquelle gemäß 3 als Messstrom beaufschlagt.
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Der durch den Referenzwiderstand R8 fließende und bekannte Messstrom IR8 = Ustab/R8 wird über den Halbleiterschalter T11 durch den Heizwiderstand R9 geleitet und erzeugt dort einen Spannungsabfall, welcher direkt gemessen oder über einen Spannungsfolger oder Verstärker OP2 bestimmt werden kann, welcher die Spannung am Heizwiderstand R9 auf einen bekannten diskreten Referenzwiderstand R5 abbildet.
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Der Strom durch R5 wird über den Halbleiterschalter T12 auf einen auf Masse bezogenen Widerstand R4 geleitet und erzeugt an diesem einen Spannungsabfall, welcher proportional zum Widerstand des Heizwiderstandes ist: UR4=UR9*R4/R5. Durch den Bezug der Spannung UR4 auf Massepotential kann diese direkt von einem Messmittel, insbesondere in dem IC, erfasst und verarbeitet werden.
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Durch die Wahl der Widerstände R4 und R5 kann die Spannung am Referenzwiderstand R8 so eingestellt werden, dass sie im optimalen Messbereich. Der aktuelle Widerstandswert des Heizwiderstandes R9 ist damit bekannt und steht zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
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Vorteilhafterweise sind neben der Stromquelle auch die Operationsverstärker OP2 und OP1 und der Halbleiterschalter T13 an dessen Ausgang Bestandteil des IC.
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Werden zu dem zweiten Zeitpunkt der Halbleiterschalter T1 und damit der Heizwiderstand R9 eingeschaltet, kann der Einschaltwiderstand RDSon(T1) des Halbleiterschalters T1 bestimmt werden und zur weiteren Messung des Stromes durch den Heizwiderstand R9 verwendet werden. Die Bestimmung des Einschaltwiderstandes des Halbleiterschalters T1 erfolgt durch Messung der Drain-Source-Spannung des Halbleiterschalters T1 mittels des Verstärkers OP1 und des Spannungsfolgers T13 sowie des Spannungsteilers R2, R3 zwischen dem Source-Anschluss des Halbleiterschalters T13 und Masse Gnd. Am Verbindungspunkt des Spannungsteilers R2, R3 steht dann eine um den Faktor (R2+R3)/R2 verstärkte Drain-Source-Spannung des Halbleiterschalters T1 an. Wird gleichzeitig die Spannung über dem Heizwiderstand UR9 = Ubat - UDS(T1) gemessen, so kann über den zuvor ermittelten und im Zeitpunkt des Einschalten von T1 bekannten Widerstand R9 der Strom durch diesen ermittelt und der Einschaltwiderstand RDSon(T1) des Halbleiterschalters T1 bestimmt werden. Damit lassen sich bis zum Beginn der nächsten Einschaltperiode des Heizwiderstandes R9 nach beispielsweise einigen Millisekunden der Stromverlauf und damit der im Heizwiderstand R9 erzeugte Energieeintrag berechnen. Hieraus kann für die nächste Einschaltperiode die erforderliche Einschaltdauer des Halbleiterschalters T1 berechnet werden. Vor dem erneuten Einschalten erfolgt wiederum ein neuer Bestimmungszyklus gemäß dem beschriebenen Verfahren.
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Die Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich zur Strombestimmung verschiedenster elektrischer Verbraucher wie beispielsweise Ventile oder Heizwiderstände, die über Halbleiterschalter eingeschaltet werden und mit einer Spannung versorgt werden, ohne dass hierfür ein Shuntwiderstand im Strompfad zur Strombestimmung verwendet werden muss. Vielmehr dient der Einschaltwiderstand des entsprechenden Halbleiterschalters als Ersatz für den Shunt. Durch das Verfahren zum Bestimmen eines Stroms mittels eines Referenzwiderstandes lässt sich der Einschaltwiderstand eines Halbleiterschalters für die Strommessung einsetzen und gleichzeitig können weitere Komponenten vor dem Einschalten auf korrekte Funktion überprüft werden. Der benötigte Referenzwiderstand ist ein sehr preisgünstiger SMD-Widerstand, während ein Shuntwiderstand sehr viel größer und teurer ist und erhebliche Verlustleistung erzeugt, da er für hohe Arbeitsströme ausgelegt sein muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10112217 B4 [0003]
- EP 1630564 B1 [0004]
