DE102018107832A1 - Verbesserungen von oder in Verbindung mit Ölsensoren - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Detektieren von Ölstand und -temperatur. Die Vorrichtung umfasst: einen Thermistor; eine ungeregelte oder nur spannungsgeregelte Energieversorgung, die ausgelegt ist, um dem Thermistor eine vorbestimmte Dauer lang einen nicht-kontinuierlichen hohen Strom zu liefern, um eine Eigenerwärmung des Thermistors zu induzieren; einen ADC, der ausgelegt ist, um die Spannung über dem Thermistor vor und nach dem Erwärmen des Thermistors zu lesen; und einen Prozessor, der ausgelegt ist, um die Temperaturänderung des Thermistors auf der Grundlage der von dem ADC gemessenen Spannungsänderung zu berechnen und um dadurch den Motorölstand sowie die Motoröltemperatur abzuleiten.

Description

  • Diese Erfindung betrifft Verbesserungen von oder in Verbindung mit Öltemperatursensoren und insbesondere Ölsensoren, die weiterhin ausgelegt sind, um das Fehlen von Öl an seinem vorgesehenen Ort festzustellen.
  • Es ist gang und gäbe, in einem Fahrzeugmotor die Temperatur von Öl zu messen. Dies wird typischerweise durch das Vorsehen eines Thermistors erreicht.
  • Ferner kann es zu erheblicher Beschädigung des Motors kommen, wenn aus irgendeinem Grund Öl im System fehlt. Daher ist es ebenfalls bekannt, einen Ölstandsensor vorzusehen, der den Ölstand feststellt und der ausgelegt ist, um den Fahrer zu warnen, wenn der Stand unter einen vorbestimmten zulässigen Stand fällt. Der Ölstand wird durch Vorsehen eines Hitzdrahteintauchsensors gemessen, der in dem Motorsteuermodul eine präzise und relativ teure Konstantstromversorgung erfordert.
  • Vor diesem Hintergrund kam es zu der vorliegenden Erfindung.
  • Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Detektieren von Motorölstand und -temperatur vorgesehen, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Thermistor; eine ungeregelte oder nur spannungsgeregelte Energieversorgung, die ausgelegt ist, um dem Thermistor eine vorbestimmte Dauer lang einen nicht-kontinuierlichen hohen Strom zu liefern, um eine Eigenerwärmung des Thermistors zu induzieren; einen ADC, der ausgelegt ist, um die Spannung über dem Thermistor vor und nach dem Erwärmen des Thermistors zu lesen; einen Prozessor, der ausgelegt ist, um die Temperaturänderung des Thermistors auf der Grundlage der von dem ADC gemessenen Spannungsänderung zu berechnen und um dadurch den Motorölstand und die Motoröltemperatur abzuleiten.
  • In diesem Zusammenhang bezeichnet der Begriff „hoher Strom“ Ströme, die ausreichen, um eine Eigenerwärmung des Thermistors hervorzurufen. Diese übersteigen die niedrigeren Ströme, die typischerweise genutzt würden, um den Wert des Widerstands zu bestimmen. Ein typischer Temperatursensorthermistor kann bei einem Strom von 500 µA gelesen werden, wobei Eigenerwärmung bei 10 mA erreicht wird. Die für Messung und Eigenerwärmung erforderlichen spezifischen Stromwerte variieren beruhend auf dem Widerstandsbereich des Thermistors.
  • Die Verwendung einer ungeregelten Energieversorgung ist kontra-intuitiv, bietet aber die Möglichkeit für erhebliche Effizienzverbesserungen. Die derzeitige Ölstanderfassung wird typischerweise durch die Nutzung einer stromgeregelten Energieversorgung erreicht. Eine stromgeregelte Versorgung ist im Fahrzeug typischerweise nicht vorhanden und muss unter zusätzlichen Kosten hinzugefügt werden. Die Nutzung eines Thermistors zum Messen sowohl von Temperatur als auch Stand unter Verwenden einer ungeregelten oder spannungsgeregelten Versorgung erlaubt jedoch eine Kostensenkung.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin eine Speichervorrichtung, die ausgelegt ist, um zulässige Betriebsparameter zu speichern, und ein Alarmsystem, das ausgelegt ist, um ausgelöst zu werden, wenn der abgeleitete Motorölstand und/oder die abgeleitete Motoröltemperatur außerhalb der zulässigen Betriebsparameter fällt, umfassen.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin einen Spannungsteiler umfassen, der ausgelegt ist, um den Thermistor von dem ADC zu trennen.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin einen Steuerschalter umfassen, der ein PMOS sein kann. Der Steuerschalter ermöglicht ein Aktivieren der Vorrichtung 10 über einen vorbestimmten Zeitraum eines nicht-kontinuierlichen Betriebs. Dies liefert einen festen Energiestoß zu dem Thermistor 20, der Eigenerwärmung erfährt. Abhängig von der spezifischen Wärmekapazität des Fluids, in dem der Thermistor 20 sitzt, wird von der Wärme des Thermistors 20 mehr oder weniger in das umgebende Fluid übertragen.
  • Der Umfang der Wärmeübertragung zwischen dem Thermistor 20 und dem Öl ist erheblich größer als bei dem von Luft umgebenen Thermistor.
  • Ist der Thermistor von Luft umgeben, dann ist die Temperaturänderung des Thermistors 20 infolge der Erwärmung, die durch das Bereitstellen von Leistung von der Energieversorgung 30 erleichtert wird, viel größer als wenn dieser in Öl eingetaucht ist, in das er leicht Wärme abgeben kann. Diese Änderung der Thermistortemperatur wird durch Messen seines Widerstands zu Beginn und am Ende der Erwärmungszyklus ermittelt.
  • Oberhalb der maximal zulässigen Temperaturänderung, die sich aus der Eigenerwärmung ergibt, kann von der Vorrichtung gefolgert werden, dass der Thermistor 20 nicht mehr von Öl umgeben ist und daher das Öl einen unzulässig niedrigen Stand aufweist. Daher kann ein Alarm ausgelöst werden.
  • Die Temperatur des Öls kann durch Verbinden der Energieversorgung mit dem Thermistor gemessen werden, so dass es zu keiner erheblichen Eigenerwärmung kommt. Dies erfolgt durch Anlegen von Leistung über einen kurzen Zeitraum, z.B. 5 µs, und kann wiederholt werden, um Temperaturänderungen über Zeit zu ermitteln. Dies kann bei Bedarf unabhängig vom Messen des Stands erfolgen.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin einen Widerstand in Reihe mit dem Schalter umfassen, um den Schalter zu schützen.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin eine Referenzspannung für die MCU umfassen. Manche MCUs erfordern eine geregelte Spannung, und das Vorsehen einer VREF sorgt dafür.
  • Nun wird die Erfindung lediglich anhand eines Beispiels und unter Verweis auf die Begleitzeichnungen weiter im Einzelnen beschrieben. Hierbei zeigen:
    • 1 bis 7 verschiedene Schaltungen, die unterschiedliche Ausführungsformen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung implementieren.
  • In den gesamten Figuren werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wenn in unterschiedlichen Ausführungsformen gemeinsame Elemente vorhanden sind.
  • Es gibt verschiedene gemeinsame Merkmale, die in allen Ausführungsformen vorhanden sind. Die Vorrichtung 10 wird mithilfe eines Schalters 12 eingeschaltet und umfasst einen Thermistor 20, eine Energieversorgung 30, einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 40 und Spannungsteiler 44, 45, einen Prozessor (MCU) 50. Der Prozessor oder Mikrocontroller 50 und der ADC 40 können gebündelt sein, wie durch die umfangende Strichlinie andeutet ist. Bei diesen handelt es sich um 5V-Vorrichtungen.
  • Der Thermistor 20 ist ein temperaturabhängiger Widerstand, der an einer Stelle positioniert ist, die unter normalen Betriebsbedingungen in Öl eingetaucht sein sollte. Der Thermistor 20 weist eine exponentielle Widerstandsfunktion mit Temperatur auf. Bei einer Kraftfahrzeuganwendung, bei der Temperaturen von -40°C bei Kaltstart bis zu einer Motorbetriebstemperatur in dem Bereich von 150°C reichen können, kann der Widerstand daher von 800 kΩ bei -40°C bis 530 Ω bei 150°C reichen.
  • Die Energieversorgung 30 ist eine Batterie, die von bekannter, aber ungesteuerter Spannung VBAT ist, die typischerweise eine 12V-Versorgung sein kann. Die Nutzung einer Batterie ohne Stromstabilisierung bietet eine erhebliche Vereinfachung von typischerweise eingesetzten Systemen. Diese Energieversorgung stellt keine Quelle geregelten Stroms dar, da ihr die erforderliche Stabilisierung fehlt. Die Spannung ist bekannt, aber nicht unbedingt konstant.
  • Die Vorrichtung 10 wird mithilfe eines Schalters 12 aktiviert, der es der Energieversorgung 30 bei Aktivieren ermöglicht, einen kurzen Energiestoß zu liefern, der ein vorbestimmtes Energiequant umfasst. Der Schalter 12 ist in den gezeigten Ausführungsformen ein PMOS. Es versteht sich aber, dass an dessen Stelle jeder geeignete Steuerschalter treten könnte. Bei Aktivieren der Vorrichtung 10 wird Strom von der Batterie, VBAT, durch entweder Widerstand R1 oder R2 dem Thermistor 20 geliefert, und dann liest der ADC 40 die Spannung über dem Thermistor 20. Der Widerstand des Thermistors 20 hängt von der Temperatur ab, und daher liefert die Messung effektiv einen Messwert der Temperatur des Thermistors 20.
  • Der ADC 40 wandelt die analoge Antwort des Thermistors 20 um, um eine digitale Ausgabe zu bieten, die die Änderung des Widerstands des Thermistors 20 infolge der Eigenerwärmung, die durch das Bereitstellen von Leistung von der Energieversorgung 30 induziert wird, angibt.
  • Der Prozessor oder die Mikrocontrollereinheit (MCU) 50 setzt dann die digitale Antwort von dem ADC 40 in Öltemperatur- und Ölstandsinformationen um. Die MCU 50 umfasst auch einen Speicher, in dem vorbestimmte zulässige Bereiche für den Ölstand und die Öltemperatur gespeichert sind. Wenn die MCU 50 ermittelt, dass die Öltemperatur oder der Ölstand außerhalb des vorbestimmten zulässigen Bereichs liegt, dann liefert die MCU 50 diese Ermittlung zu einem Warnsystem. Das Warnsystem kann einen hörbaren Alarm liefern, um den Fahrer zu verständigen, oder die Warnung kann die Form einer visuellen Warnung annehmen, die auf der Instrumententafel, auf auf dem Infotainmentsystem angezeigt werden kann.
  • Der ADC 40 kann die ungeregelte Spannung mithilfe eines Spannungsteilers messen, welcher einen Widerstand R4, 44 und R5, 45 umfasst. In den gezeigten Ausführungsformen beträgt R4 16 kΩ und R5 4 kΩ, wodurch zwischen den Widerständen R4 und R5 ein Verhältnis von 4:1 vorgesehen wird. Dieses exakte Verhältnis ist nicht erforderlich. Stattdessen sollten die Widerstände R4 und R5 ein Reduzieren der ungeregelten Versorgungsspannung auf einen Spannungswert erlauben, der mit dem ADC-Bereich kompatibel ist, der üblicherweise bei 0-5V liegen würde. Üblicherweise wären dies Verhältnisse in dem Bereich von 4:1. Das Vorsehen des Spannungsteilers ermöglicht das Messen der Spannung der Energiequelle 30. Die Möglichkeit des Messens der Spannung der Energiequelle 30 umgeht die Notwendigkeit des Festlegens und Kennens der Spannung, da sie dynamisch gemessen werden kann.
  • In den in 1 bis 4, 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen wird weiterhin ein zusätzlicher Widerstand R1, 41 gezeigt. Dieser Widerstand R1 beschränkt den Strom durch den Schalter im Fall eines Masseschlusses, um den Schalter 12 zu schützen. Der Widerstand R1 und der Thermistor bilden auch einen Spannungsteiler, der in Ausführungsformen ohne Widerstand R2, 42 mit dem Spannungsbereich des ADC 40 kompatibel ist. Die Vorrichtung 10, die in der in 5 gezeigten Ausführungsform veranschaulicht ist, weist diesen Widerstand nicht auf, und daher würde diese Vorrichtung über einen kürzeren Zeitraum als in Ausführungsformen, die Widerstand R umfassen, betrieben werden. Die dem Thermistor 20 von der Batterie 30 zugeführte maximale Energie wäre in allen Ausführungsformen vergleichbar, diese würde aber in der Ausführungsform von 5, in der die gesamte zugeführte Energie dem Thermistor 20 geliefert wird, über einen kürzeren Zeitraum zugeführt werden. In den in 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen wird die Spannung dagegen zwischen dem Widerstand R1 und dem Thermistor R2 aufgeteilt. In den gezeigten Ausführungsformen weist der Thermistor 20 bei 150°C 5000 Ω und bei -40°C 900 kΩ auf.
  • In den in 1, 3 und 5 gezeigten Ausführungsformen ist ein Widerstand R2, 42 vorhanden. In den in 1 und 3 gezeigten Ausführungsformen ist er zusätzlich zu Widerstand R1 vorgesehen, wogegen in der in 5 gezeigten Ausführungsform der Widerstand R2 statt des Widerstands R1 vorgesehen ist. Dieser Widerstand R2 ist zwischen dem Thermistor 20 und dem ADC 40 angeschlossen. In den gezeigten Ausführungsformen hat er einen Widerstandswert von 20 kΩ, was den Widerstandswert der Widerstände in dem Spannungsteiler 44, 45 übersteigt. Dies stellt sicher, dass nur ein kleiner Strom durch den Thermistor 20 fließt, und schützt ihn dadurch vor übermäßiger Erwärmung. Es stellt auch sicher, dass immer noch ein Spannungsteiler vorhanden ist, der den Thermistorwiderstandswert als anderen Widerstand nutzt, so dass der Spannungsbereich über dem ADC 40 innerhalb des messbaren Spannungsbereichs des ADC 40 liegt. Wichtig ist, dass entweder Widerstand R1 oder Widerstand R2 vorgesehen wird. In manchen Ausführungsformen, einschließlich den in 1 und 3 gezeigten, sind beide Widerstände R1 und R2 vorgesehen.
  • Ist nur ein Widerstand gewählt aus der Gruppe bestehend aus R1 und R2 vorhanden, wird der Widerstandswert dieses Widerstands R1, R2 so gewählt, dass sichergestellt wird, dass die Spannung über dem Thermistor 20 für alle vernünftigen Temperaturwerte des Öls innerhalb der Betriebshüllkurve von 0-5 V des ADC 40 und der MCU 50 bleibt.
  • Wie in den in 1, 4, 5, 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen veranschaulicht wird, kann zwischen der MCU 50 und Masse eine Referenzspannung VREF 35 vorgesehen werden. Dies ist dort notwendig, wo die MCU eine 5V-Vorrichtung ist, die Spannungsstabilisierung benötigt.
  • Ein Beispiel für Erwärmungsdauer könnte wie folgt sein: Wenn dem Thermistor 20, der bei -1°C und daher 100 kΩ liegt, 10 mJ zu liefern sind, fließt bei Schließen des Schalters 12 zum Aktivieren der Vorrichtung 10 VBAT von 12 V, was einen Strom von 120 µA und eine Leistung von 1,44 mW vorsieht. Dies erfordert daher Erwärmen von 7 s, um die 10 mJ vorzusehen.
  • Liegt der Thermistor 20 bei 100°C und daher 2,08 kΩ, ein Strom von 4,65 mA und eine Leistung von 45 mW. Die Erwärmungszeit beträgt daher 0,22 s.
  • Die in 1 gezeigte Ausführungsform umfasst beide Widerstände R1, 41 und R2, 42 sowie die Referenzspannung V2, 35. Dies optimiert die Erfassung von sowohl Ölstand als auch Öltemperatur und bietet eine robuste Lösung.
  • Die in 2 gezeigte Ausführungsform weist nur Widerstand R1 auf. Widerstand R2 ist in dieser Ausführungsform nicht vorhanden. Dies ermöglicht verglichen mit der in 1 gezeigten Ausführungsform eine geringe Kostenersparnis. Im Vergleich zu dem Thermistor von 1 wird ein Thermistor niedrigeren Widerstands, beispielsweise um einen Faktor von 100 niedriger, genutzt, um den Temperaturbereich innerhalb des Betriebsbereichs des ADC 40 unterzubringen. Die Vorrichtung 10 wird zum Lesen mithilfe des Schalters 12 einen kurzen Zeitraum lang, beispielsweise 5 µs, betrieben. Dieser Zeitrahmen wird gewählt, da er viel zu kurz ist, um eine Erwärmungswirkung zu haben. Zum Erwärmen wird ein langes Schalten zwischen 0,1 bis 10 s, 20 s oder gar 30 s genutzt.
  • Die in 3 gezeigte Ausführungsform verzichtet auf die Referenzspannung VREF 35 und ermöglicht dadurch eine weitere Kostenersparnis durch Verzicht auf die geregelte Energieversorgung. In dieser Ausführungsform wird die Messung der ungeregelten Versorgung genutzt, um die Spannung festzulegen, aus der die Temperatur anschließend abgeleitet wird. Diese Vorgehensweise ist ein wenig ungenauer als die in 1 gezeigte Ausführungsform.
  • Die in 4 gezeigte Ausführungsform ist eine weitere Umsetzung der in 2 gezeigten Ausführungsform. Diese aus anwendbar, wenn das MCU 50 seine eigene Energieversorgung aufweist, die in einer beliebigen, für den Betrieb der MCU selbst geeigneten Weise geregelt ist. Daher ist die Referenzspannung VREF 35 nicht erforderlich.
  • Die in 5 gezeigte Ausführungsform nutzt den Widerstand R2 allein und muss keinen Widerstand R1 aufweisen. In dieser Ausführungsform wird der ADC 40 genutzt, um bezüglich eines Masseschlusses zu überwachen. Wenn der Schalter 12 geschlossen wird, so dass die Vorrichtung 10 aktiv ist, wird die Spannung an dem Thermistor 20 auf VBAT angehoben, die typischerweise bei 12 V und daher außerhalb des aktiven Bereichs des ADC 40 und der MCU 50 liegt. Wenn der Schalter offen ist, bewirkt der Widerstand R2 daher ein Senken der Spannung über dem Thermistor 20, so dass sie in den Betriebsbereich von 0-5 V des ADC 40 fällt. Der ADC 40 bietet auch einen gewissen Schutz für den Schalter 12, durch Detektieren von Masseschluss kann der Schalter 12 von dem Mikrocontroller 50 abgeschaltet werden. Widerstand R2 dient zum Messen der Temperatur des Thermistors 20. Dies ist eine genauere Konfiguration als die in 3 gezeigte Ausführungsform, da sie eine Quelle stabilisierter Spannung, Referenzspannung VREF 35, für die Messung verwendet.
  • Die in 6 gezeigte Ausführungsform nutzt einen Low-Schalter 13, um den Thermistor 20 zu isolieren, so dass er im Fall eines Kurzschlusses zur Batterie 30 nicht überhitzen kann.
  • Die in 7 gezeigte Ausführungsform nutzt zusätzlich zu dem High-Schalter 12, der in den in 1 bis 5 bezeigten Ausführungsformen eingesetzt wird, einen Low-Schalter 13. Diese Ausführungsform optimiert den Schutz der Schaltung. Der Widerstand des Thermistors 20 ist niedrig, wenn die Temperatur hoch ist, und daher wird die Schaltung mit zwei Schaltern ausgelegt, um im Fall eines Masseschlusses ein Isolieren des Thermistors 20 durch Abschalten des High-Schalters 12 zu ermöglichen. Alternativ kann im Fall eines Kurzschlusses zur Batterie der Low-Schalter geöffnet werden.
  • Es versteht sich für den Fachmann ferner, dass die Erfindung zwar beispielhaft unter Bezug auf mehrere Ausführungsformen beschrieben wurde, sie aber nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, und dass andere Ausführungsformen entwickelt werden könnten, ohne vom Schutzumfang der in den beigefügten Ansprüchen festgelegten Erfindung abzuweichen.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zum Detektieren von Motorölstand und Motoröltemperatur, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Thermistor; eine ungeregelte oder nur spannungsgeregelte Energieversorgung, die ausgelegt ist, um dem Thermistor eine vorbestimmte Dauer lang einen nicht-kontinuierlichen hohen Strom zu liefern, um eine Eigenerwärmung des Thermistors zu induzieren; einen ADC, der ausgelegt ist, um die Spannung über dem Thermistor vor und nach dem Erwärmen des Thermistors zu lesen; und einen Prozessor, der ausgelegt ist, um die Temperaturänderung des Thermistors auf der Grundlage der von dem ADC gemessenen Spannungsänderung zu berechnen und um dadurch den Motorölstand sowie die Motoröltemperatur abzuleiten.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin eine Speichervorrichtung umfasst, die ausgelegt ist, um zulässige Betriebsparameter zu speichern.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, welche weiterhin ein Alarmsystem umfasst, das ausgelegt ist, um ausgelöst zu werden, wenn der abgeleitete Motorölstand und/oder die abgeleitete Motoröltemperatur außerhalb der zulässigen Betriebsparameter fällt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche weiterhin einen Spannungsteiler umfasst, der ausgelegt ist, um den Thermistor von dem ADC zu trennen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche weiterhin einen Steuerschalter umfasst.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Schalter ein PMOS ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, welche weiterhin einen Widerstand in Reihe mit dem Schalter umfasst, um den Schalter zu schützen.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche weiterhin eine Referenzspannung für die MCU umfasst.
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