DE102022126261B3

DE102022126261B3 - Verfahren zur Betätigung eines Ventils in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022126261B3
Application number: DE102022126261.8A
Authority: DE
Inventors: Yunfan Wei; Florian Süß
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-10-11
Filing date: 2022-10-11
Publication date: 2024-01-04
Anticipated expiration: 2042-10-12

Abstract

Verfahren zur Betätigung eines Ventils in einem Kraftfahrzeug, das einen Schieber (100) und einen Elektromagneten (300) aufweist, wobei der Elektromagnet (300) durch Bestromung betätigt wird und dadurch der Schieber (100) in Richtung des Elektromagneten (300) und eines ersten Endanschlags bewegt wird, wobei der Schieber (100) je nach seiner Position entlang eines Weges zwischen dem ersten und einem zweiten Endanschlag, eine erste Hydraulikleitung (A) mit einer zweiten Hydraulikleitung (B) hydraulisch verbindet oder hydraulisch trennt, wobei ein Ist-Strom-Gradient (1090) der Bestromung des Elektromagneten (300) ermittelt wird und mit einer vorgegebenen Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 (1120) verglichen wird, wobei wenn der Verlauf des Ist-Strom-Gradienten (1090) von größeren Werten her kommend zu kleineren Werten hin abfallend ist und durch den Wert der Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 (1120) läuft, ein Ziel-Strom (1050) der Bestromung des Elektromagneten (300) um einen vorgegebenen Wert reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Strom-Gradient (1090) der Bestromung des Elektromagneten (300) mit einer vorgegebenen Ist-Strom-Gradient-Schwelle-2 (1110) verglichen wird und wenn der Verlauf des Ist-Strom-Gradient (1090) von größeren Werten her kommend zu kleineren Werten hin abfallend ist und durch den Wert der Ist-Strom-Gradient-Schwelle-2 (1110) läuft, wird der Ziel-Strom (1050) der Bestromung des Elektromagneten (300) auf den Wert vor der Reduktion um den vorgegebene Wert zurückgesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Einsatzbereich der Erfindung:
Das Getriebe mit hydraulischen Funktionen wird zunehmend elektrifiziert. Das Steuergerät für von Elektromagneten aktuierten Ventilen weist eine immer bessere Leistung auf, was immer mehr Ansteuermöglichkeiten ermöglicht. Schaltventile sind aufgrund ihrer relativ einfachen Ansteuerung und ihres robusten Aufbaus sehr verbreitet: Ist das Ventil unbestromt, befindet sich der Ventilschieber (100, 1) in seiner Ruhelage an einem Endanschlag. Ist das Ventil bestromt, fährt das Ventil schnell aus und ruht dann auf dem anderen Endanschlag.
Die DE 197 19 602 A1 offenbart gattungsgemäß den Oberbegriff des Anspruchs 1.
EP 1 109 178 A2 offenbart ein Verfahren zum schnellen Schalten einer induktiven Last, wobei nach Erkennung einer Laststromschulter eine maximale Schaltspannung auf eine Haltespannung reduziert wird.
WO 2021 / 223 799 A1 offenbart die Ansteuerung eines Ventils. Die Dichtheit bezüglich Leckage des Ventils soll mit Hilfe einer Softwarefunktion erhöht werden. Dazu ist das vollständige Öffnen des Ventils vorgesehen, indem dabei auch der größtmögliche Volumenstrom durch das geöffnete Ventil gepumpt wird. Es soll also der maximale Volumenstrom durch das bereits geöffnete Ventil gepumpt werden, damit das Ventil dadurch vollständig geöffnet wird. Beim darauffolgenden Schließen des Ventils legt der Schieber einen größeren Weg zurück. Dieser größere Weg ermöglicht eine höhere Geschwindigkeit beim Aufprall in den Endanschlag und damit eine Erhöhung der Dichtheit des Ventils.
In der Praxis kommen Schaltventile wie in 1 gezeigt zum Einsatz. Um die Leckage im ausgefahrenen Zustand zu verbessern, ist das Schaltventil als Sitzventil ausgeführt. Die Standardansteuerung gemäß Stand der Technik ist wie folgt: Soll sich das Ventil schließen, d.h. soll die hydraulische Verbindung zwischen den Hydraulikleitungen A und B (1) abgesperrt werden, wird das Ventil bestromt. Soll sich das Ventil öffnen, d.h. sollen Hydraulikleitungen A und B hydraulisch verbunden werde, bleibt das Ventil unbestromt.
Die Standardansteuerung bringt das Problem mit sich, dass der Schieber mit einer zu hohen Geschwindigkeit an den Endanschlag fährt, so dass Bauteile wie etwa der Stößel wegen dem mechanischen Stoß brechen können.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, mechanische Schäden am Ventil zu vermeiden, insbesondere wenn sich der Schieber in Richtung des Stößels in Richtung Endanschlag bewegt, ohne dabei die Dauer bis zum Erreichen des Endanschlags nennenswert zu erhöhen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Betätigung eines Ventils in einem Kraftfahrzeug, das einen Schieber und einen Elektromagneten aufweist, wobei der Elektromagnet durch Bestromung betätigt wird und dadurch der Schieber in Richtung des Elektromagneten und eines ersten Endanschlags bewegt wird, wobei der Schieber je nach seiner Position entlang eines Weges zwischen dem ersten und einem zweiten Endanschlag, eine erste Hydraulikleitung mit einer zweiten Hydraulikleitung hydraulisch verbindet oder hydraulisch trennt, wobei ein Ist-Strom-Gradient der Bestromung des Elektromagneten ermittelt wird und mit einer vorgegebenen Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 verglichen wird, sieht vor, dass wenn der Verlauf des Ist-Strom-Gradienten von größeren Werten her kommend zu kleineren Werten hin abfallend ist und durch den Wert der Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 läuft, ein Ziel-Strom der Bestromung des Elektromagneten um einen vorgegebenen Wert reduziert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Ist-Strom-Gradient der Bestromung des Elektromagneten mit einer vorgegebenen Ist-Strom-Gradient-Schwelle-2 verglichen wird und wenn der Verlauf des Ist-Strom-Gradient von größeren Werten her kommend zu kleineren Werten hin abfallend ist und durch den Wert der Ist-Strom-Gradient-Schwelle-2 läuft, wird der Ziel-Strom der Bestromung des Elektromagneten auf den Wert vor der Reduktion um den vorgegebene Wert zurückgesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ist-Strom-Gradient-Schwelle-2 kleiner als die Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem, innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums erfolgenden zweiten Durchlaufens der Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 durch den Ist-Strom-Gradienten der Bestromung des Elektromagneten von größeren Werten her kommend zu kleineren Werten hin abfallend, keine Reduktion des Ziel-Strom der Bestromung des Elektromagneten durchgeführt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorgegebene Wert der Reduktion des Ziel-Stroms der Bestromung des Elektromagneten 0,5 A beträgt.
In einer dazu alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorgegebene Wert der Reduktion des Ziel-Stroms der Bestromung des Elektromagneten ein Drittel des Ziel-Stroms vor der Reduktion beträgt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorgegebene Zeitraum kleiner als 200 Millisekunden ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen Schieber und dem Elektromagneten ein Stößel angeordnet ist.
Vorteil der Erfindung ist also, dass durch diese temporäre Stromabsenkung sich die Schiebergeschwindigkeit am Ventilendanschlag erheblich reduzieren lässt und sich damit das Risiko eines Bruchs des Stößels hinreichend verringert, ohne mit dieser Maßnahme die Dauer bis zum Erreichen des Endanschlags nennenswert zu erhöhen.
Weiter Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibung.
Es zeigen im Einzelnen:

1 Sitzventil zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
2 Vergleich der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens (mit Strommanipulation, unterbrochene Linien) mit einer Ausführung nach Stand der Technik (ohne Strommanipulation, durchgezogenen Linien)

Figur 1 und Figur 2 zeigen:
Der Elektromagnet 300, der zur Aktuierung des Schiebers 100 verwendet wird, hat die Eigenschaft, dass der Strom deutlich langsam aufgebaut wird, wenn sich der Schieber 100 bewegt. Je schneller sich der Schieber 100 bewegt, desto kleiner wird der Strom-gradient.
Sinkt der Ist-Strom-Gradient 1090 unter eine Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 1120, wird erfindungsgemäß der Ziel-Strom 1050 reduziert. Fällt der Ist-Strom-Gradient 1090 weiter unter eine Ist-Strom-Gradient-Schwelle-2 1110, wird der Ziel-Strom 1050 wieder zum originalen Strom angehoben. Durch diese temporäre Stromabsenkung lässt sich die Schiebergeschwindigkeit am Ventilendanschlag erheblich reduzieren. Die erfinderische Strategie ist vor allem für hohe Temperaturen anzuwenden, da bei niedrigen Temperaturen die Schiebergeschwindigkeit ohnehin gering ist. Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 1120 und Ist-Strom-Gradient-Schwelle-2 1110 können grundsätzlich temperaturabhängig sein, müssen aber nicht.
Das Stromverhalten eines Elektromagneten lässt sich mit folgender Differentialgleichung beschreiben: $U = R \cdot I + L \cdot \dot{I} + k e m f \cdot \dot{x}$
Dabei ist U die angelegte Spannung, R der ohmsche Widerstand, L die Induktivität und I der Strom und kemf · ẋ die Gegen-EMK (Back-EMF) ist, wobei x der Schiebergeschwindigkeit entspricht.
Wenn eine Spannung sprungartig angelegt wird, baut sich der Strom zunächst wie an einem PT1-Glied auf. Die Zeitkonstante des PT1-Glies ist L/R. Das wird so lange dauern, bis sich der Schieber vorwärts bewegt, da ab diesem Zeitpunkt x nicht mehr 0 ist. Durch die Schieberbewegung entsteht eine Gegenspannung kemf · ẋ, wegen der sich der Strom langsamer aufbaut oder sogar verkleinert (vgl. 2, Verlauf 1070, 1080). Konkreter heißt das, dass aus dem Ist-Strom-Gradient 1090 erkannt werden kann, ob die Kraft des Elektromagneten 300 schon so hoch ist, dass die Last aus z.B. Feder und Reibung überwunden ist und sich der Schieber 100 vorwärts bewegt.
Es wird deswegen eine Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 (kurz: Schwelle 1) 1120 in der Software abgelegt. In jedem Interrupt wird der Gradient des Ist-Stroms 1090 ermittelt und mit der Schwelle 1 verglichen. Kommt der Ist-Strom-Gradient 1090 von oben nach unten durch diese Schwelle 1 (2, unterste Darstellung, 1090 bei 106 ms), bedeutet das, dass sich der Schieber 100 ordentlich bewegt und eine gewisse Geschwindigkeit erreicht hat. In dem Fall wird der Ziel-Strom 1050 des Ventils reduziert (2, mittlere Darstellung, 1050 bei 108 ms), damit sich die Kraft des Elektromagneten 300 reduziert und sich der Schieber 100 verlangsamt oder zumindest weniger stark beschleunigt.
Es wird zudem in der Software eine Ist-Strom-Gradient-Schwelle-2 (kurz: Schwelle 2) 1110 abgelegt, die kleiner als Schwelle 1 ist. Ist der Ist-Strom-Gradient 1090 auch unter Schwelle 2 gefallen (2, unterste Darstellung, 1090 bei 108 ms), wird der Ziel-Strom 1050 wieder zum Wert des Ziel-Stroms vor der Reduktion angehoben (2, mittlere Darstellung, 1050 bei 110 ms). Die erfindungsgemäße Manipulation des Ventilstroms ist damit beendet.
Hier ist anzumerken, dass eine zweite Durchfahrt der Schwelle 1 von oben nach unten keine o.g. Strommanipulation verursachen soll. Die zweite Durchfahrt der Schwelle 1 von oben nach unten bei 116 ms ist vom Stromregler verursacht, da der Ziel-Strom 1050 vom Ist-Strom 1070 fast erreicht wird und daher der Strom allmählich reduziert wird.
In 2 sieht man einen Vergleich zwischen der Standardventilansteuerung gemäß Stand der Technik (durchgezogene Linien) und der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung mit Stromabsenkung (unterbrochene Linien). Hierbei gelten einige Annahmen:

• Abtastzeit des Stromreglers: 2ms Interrupt
• Der Ziel-Strom 1050 wird immer erst im nächsten Interrupt angepasst:
- Bei 106 ms ist der Ist-Strom-Gradient 1090 unter Schwelle 1 gefallen. Der Ziel-Strom 1050 wird aber erst bei 108 ms reduziert.
- Bei 108 ms ist der Ist-Strom-Gradient 1090 unter Schwelle 2 gefallen. Der Ziel-Strom 1050 wird aber erst bei 110 ms wieder angehoben.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung können die Schwelle 1 und 2 auch temperaturabhängig bedatet werden.
Bezugszeichenliste

100: Schieber
200: Stößel
300: Magnet
A: hydraulische Leitung, die mittels des Ventils mit hydraulischer Leitung B verbunden oder gesperrt wird
B: hydraulische Leitung, die mittels des Ventils mit hydraulischer Leitung A verbunden oder gesperrt wird
1010: Geschwindigkeit Ventilschieber gemäß Erfindung
1020: Geschwindigkeit Ventilschieber gemäß Stand der Technik
1030: Position Ventilschieber gemäß Erfindung
1040: Position Ventilschieber gemäß Stand der Technik
1050: Ziel-Strom gemäß Erfindung
1060: Ziel-Strom gemäß Stand der Technik
1070: Ist-Strom gemäß Erfindung
1080: Ist-Strom gemäß Stand der Technik
1090: Ist-Strom-Gradient gemäß Erfindung
1100: Ist-Strom-Gradient gemäß Stand der Technik
1110: Ist-Strom-Gradient-Schwelle-2
1120: Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1

Claims

Verfahren zur Betätigung eines Ventils in einem Kraftfahrzeug, das einen Schieber (100) und einen Elektromagneten (300) aufweist, wobei der Elektromagnet (300) durch Bestromung betätigt wird und dadurch der Schieber (100) in Richtung des Elektromagneten (300) und eines ersten Endanschlags bewegt wird, wobei der Schieber (100) je nach seiner Position entlang eines Weges zwischen dem ersten und einem zweiten Endanschlag, eine erste Hydraulikleitung (A) mit einer zweiten Hydraulikleitung (B) hydraulisch verbindet oder hydraulisch trennt, wobei ein Ist-Strom-Gradient (1090) der Bestromung des Elektromagneten (300) ermittelt wird und mit einer vorgegebenen Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 (1120) verglichen wird, wobei wenn der Verlauf des Ist-Strom-Gradienten (1090) von größeren Werten her kommend zu kleineren Werten hin abfallend ist und durch den Wert der Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 (1120) läuft, ein Ziel-Strom (1050) der Bestromung des Elektromagneten (300) um einen vorgegebenen Wert reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Strom-Gradient (1090) der Bestromung des Elektromagneten (300) mit einer vorgegebenen Ist-Strom-Gradient-Schwelle-2 (1110) verglichen wird und wenn der Verlauf des Ist-Strom-Gradient (1090) von größeren Werten her kommend zu kleineren Werten hin abfallend ist und durch den Wert der Ist-Strom-Gradient-Schwelle-2 (1110) läuft, wird der Ziel-Strom (1050) der Bestromung des Elektromagneten (300) auf den Wert vor der Reduktion um den vorgegebenen Wert zurückgesetzt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Strom-Gradient-Schwelle-2 (1110) kleiner als die Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 (1120) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass, bei einem, innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums erfolgenden zweiten Durchlaufens der Ist-Strom-Gradient-Schwelle-1 (1120) durch den Ist-Strom-Gradienten (1090) der Bestromung des Elektromagneten (300) von größeren Werten her kommend zu kleineren Werten hin abfallend, keine Reduktion des Ziel-Strom (1050) der Bestromung des Elektromagneten (300) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert der Reduktion des Ziel-Stroms (1050) der Bestromung des Elektromagneten (300) 0,5 A beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert der Reduktion des Ziel-Stroms (1050) der Bestromung des Elektromagneten (300) ein Drittel des Ziel-Stroms (1050) vor der Reduktion beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Zeitraum kleiner als 200 ms ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schieber (100) und dem Elektromagneten (300) ein Stößel (200) angeordnet ist.