DE10229026A1 - Heater control switch for lambda probe used for combustion engine exhaust emissions control, has current limitation and fast response, by providing voltage compensation via micro controlled field effect transistor - Google Patents

Heater control switch for lambda probe used for combustion engine exhaust emissions control, has current limitation and fast response, by providing voltage compensation via micro controlled field effect transistor Download PDF

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Abstract

A switching arrangement for the resistance heater of a lambda probe, using a field effect transistor current limiting device, has a micro controller that calculates the optimum switching time to allow rapid response and prevents uncontrolled current, by incrementing the electromotive force effectively applied up to full battery voltage over this interval. A switching arrangement for the resistance heater (100) of a lambda probe, using a field effect transistor (FET) current limiting device (102), has a micro controller (104) to detect the voltage drop across the heater and control the FET to compensate for this falling voltage. The controller calculates the optimum switching time to allow rapid response and prevents uncontrolled current, which can destroy the heater, by incrementing the electromotive force effectively applied up to full battery voltage over this interval. An independent claim is included for engine management units using the above switching arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Heizverbrauchers mit kritischem Einschaltverhalten mittels einer Leistungsendstufe, insbesondere zum Betrieb einer Lambdasondenheizung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zudem betrifft die Erfindung ein die genannte Schaltungsanordnung aufweisendes Motorsteuergerät gemäß dem jeweiligen unabhängigen Anspruch.The invention relates to an electrical Circuit arrangement for operating a heating consumer with critical Switch-on behavior using a power output stage, in particular for operating a lambda probe heater of an internal combustion engine Motor vehicle, according to the preamble of claim 1. In addition, the invention relates to a said circuit arrangement having engine control unit according to the respective independent claim.

In der Kraftfahrzeugtechnik sind im Bereich von Abgasreinigungs- bzw. Katalysatorsystemen Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art bekannt, bei denen eine Lambdasondenheizung mittels einer Leistungsendstufe, meist eines Feldeffekttransistors (FET), so bestromt wird, dass der durch die Lambdasondenheizung fließende Strom zu keinem Zeitpunkt begrenzt ist. Da das Einschaltverhalten der Lambdasondenheizung insoweit als kritisch anzusehen ist. als eine unmittelbare Beaufschlagung der Lambdasondenheizung mit der Kraftfahrzeug-Batteriespannung von 14 Volt die Lambdasondenheizung zerstören würde, wird der Hochheizvorgang bis zum Erreichen der Betriebstemperatur durch geeignete Wahl des zeitlichen Verlaufs eines Steuersignals zur Ansteuerung der Leistungsendstufe, bspw. der an dem FET anliegenden Gate-Spannung, erreicht.Are in automotive engineering Circuit arrangements in the area of exhaust gas purification or catalyst systems of the type mentioned, in which a lambda probe heater by means of a power output stage, usually a field effect transistor (FET), is energized so that the by the lambda probe heating flowing Electricity is never limited. Because the switch-on behavior the lambda probe heating is to be regarded as critical in this respect. as an immediate application of the lambda sensor heating with the Motor vehicle battery voltage of 14 volts the Lambda probe heating to destroy would, the heating process is completed until the operating temperature is reached suitable choice of the timing of a control signal for control the power output stage, for example the gate voltage present at the FET, reached.

Dieser bekannte Lösungsansatz ermöglicht aufgrund der fehlenden Strombegrenzung ein schnelles Hochheizen der Lambdasonde, erfordert allerdings zugleich eine kostspielige Leistungsendstufe, bspw. einen auf die relativ hohen elektrischen Ströme ausgelegten Hochleistungs-FET.This known approach enables the lack of current limitation means that the lambda probe heats up quickly, however, at the same time requires an expensive power stage, For example, one designed for the relatively high electrical currents High-FET.

Zudem wird die Leistungsendstufe in einem Kraftfahrzeug meist in einem Motorsteuergerät untergebracht, wobei die Leiterquerschnitte bzw. Leiterbahndicken gemäß den hohen Strömen auszulegen sind und daher eine beträchtliche Gewichtserhöhung bedingen, welche der bei Kraftfahrzeugen in aller Regel gewünschten Gewichtsreduzierung zuwider läuft.In addition, the power stage usually housed in an engine control unit in a motor vehicle, the conductor cross sections or conductor track thicknesses according to the high Stream must be designed and therefore require a considerable increase in weight, which of the generally desired in motor vehicles Weight reduction runs counter.

Auf dem genannten Gebiet sind des Weiteren gattungsgemäße Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen die genannte Lambdasondenheizung über eine kostengünstigere, strombegrenzte Leistungsendstufe (FET) betrieben wird, wobei der Strom bspw. auf 3 Ampere begrenzt ist. Durch die Strombegrenzung wird der Hochheizvorgang verlängert, da die Verlustleistung, welche im Heizwiderstand der Lambdasondenheizung in Wärme umgesetzt wird, niedriger ist. Die Ansteuerung der Leistungsendstufe erfolgt ähnlich wie bei dem vorbeschriebenen Lösungsansatz.In the field mentioned Further generic circuit arrangements known in which the aforementioned lambda probe heating via a cost-effective, current-limited power output stage (FET) is operated, the current is limited to 3 amperes, for example. Due to the current limitation the heating process is extended, since the power loss, which is in the heating resistor of the lambda probe heater in warmth is implemented, is lower. The control of the power output stage is similar as with the previously described approach.

Die Vorteile des zuletzt beschriebenen Lösungsansatzes gegenüber dem davor beschriebenen Lösungsansatz liegen darin, dass preisgünstigere, strombegrenzte Leistungsendstufen (FETs) eingesetzt werden können und die Leiterquerschnitte bzw. Leiterbahndicken geringer sein können. Allerdings bedingt die genannte Strombegrenzung ein langsameres Hochheizen als beim ersten Lösungsansatz.The advantages of the last described approach across from the previously described approach are that cheaper, current-limited power amplifiers (FETs) can be used and the conductor cross sections or conductor track thicknesses can be smaller. Indeed causes the current limitation mentioned a slower heating up than the first approach.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektrischen Heizverbrauchers mit dem genannten kritischen Einschaltverhalten dahingehend weiterzuentwickeln, dass die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und insbesondere ein möglichst schnelles Hochheizen bei minimalem Kostenaufwand für die erforderlichen Schaltungskomponenten, insbesondere einer erforderlichen Leistungsendstufe, ermöglicht wird.The present invention lies hence the task of a circuit arrangement mentioned at the beginning for operating an electrical heating consumer with the above to develop critical switch-on behavior in such a way that the aforementioned disadvantages of the prior art are avoided and especially one if possible rapid heating up with minimal costs for the necessary Circuit components, in particular a required power output stage, allows becomes.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen Gegenstand von Unteransprüchen sind.The task is solved by the features of the respective independent claims, wherein advantageous embodiments are the subject of dependent claims.

Die Erfindung sieht bei einer eingangs genannten Schaltungsanordnung insbesondere vor, die momentan am bestromten elektrischen Heizverbraucher abfallende Spannung zu erfassen und die Leistungsendstufe so anzusteuern, dass die am elektrischen Heizverbraucher abfallende Spannung möglichst kompensiert wird.The invention looks at one mentioned circuit arrangement in particular, which is currently on energized electrical heating consumer to detect falling voltage and to control the power output stage so that the electrical Heating voltage dropping voltage is compensated for as far as possible.

Bevorzugt wird die Einschaltzeit der Leistungsendstufe die genannte Kompensation bewirkend nachregelnd (bspw. verlängernd) angesteuert, wobei eine am Heizverbraucher maximal zulässige effektive Heizspannung zugrundegelegt wird.The switch-on time is preferred of the power output stage causing the compensation mentioned (e.g. extending) controlled, with a maximum effective effective at the heating consumer Heating voltage is taken as a basis.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist in einer Ausführungsform einen Mikrocontroller mit einem Analog/Digital-Kanal(ADC) Eingang auf. Über den ADC wird die am Ausgang der Leistungsstufe anliegende Spannung mittels des dadurch gebildeten Spannungsteilers eingelesen. Der Mikrocontroller berechnet dabei die optimale Einschaltzeit für das Steuersignal der Leistungsendstufe, um die momentan zulässige effektive Versorgungsspannung des Heizverbrauchers einzustellen. Beispielsweise wird durch eine höhere Einschaltzeit der Leistungsendstufe die niedrigere, am elektrischen Heizverbraucher abfallende Spannung kompensiert.The circuit arrangement according to the invention has in one embodiment a microcontroller with an analog / digital channel (ADC) input. On the ADC uses the voltage present at the output of the power stage of the voltage divider thus formed. The microcontroller calculates the optimal switch-on time for the control signal of the power output stage, the currently allowed set the effective supply voltage of the heating consumer. For example, a higher Switch-on time of the power output stage the lower, at the electrical Falling voltage compensates for heating consumers.

Die Erfindung ermöglicht ein schnelles Hochheizen des Heizverbrauchers, trotz des Einsatzes einer kostengünstigen, stromgeregelten bzw. strombegrenzenden Leistungsendstufe, bspw. eines preisgünstigen Niedrigleistung-Feldeffekttransistors (FET). Die Erfindung verbindet demnach den Vorteil der möglichen Verwendung einer kostengünstigen strombegrenzten Leistungsendstufe, bspw. eines preisgünstigen Feldeffekttransistors, mit dem Vorteil des schnellen Leistungsversorgung des Heizverbrauchers.The invention enables the heating consumer to heat up quickly, despite the use of an inexpensive, current-controlled or current-limiting power output stage, for example an inexpensive low-power field-effect transistor (FET). The invention accordingly combines the advantage of the possible use of an inexpensive current-limited power output stage, for example an inexpensive field-effect transistor, with the advantage of fast power supply to the heating power supply brauchers.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist besonders vorteilhaft zum Betrieb einer Lambdasondenheizung einsetzbar, da ein schnelles, ungeregeltes Hochheizen diese zerstören würde, jedoch wiederum ein möglichst schnelles Hochheizen erwünscht ist, um ein die Lambdasonde aufweisendes geregeltes Abgasreinigungs- bzw. Katalysatorsystem möglichst frühzeitig nach einem Start der Brennkraftmaschine in Betrieb nehmen zu können.The circuit arrangement according to the invention is can be used particularly advantageously to operate a lambda probe heater, because a fast, uncontrolled heating would destroy them, however again one if possible rapid heating desired is to a regulated exhaust gas cleaning device having the lambda probe or catalyst system if possible early to be able to put into operation after starting the internal combustion engine.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist vorteilhaft in einem Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeuges einsetzbar, da die aufgrund der Verwendung einer strombegrenzten Leistungsendstufe und der daraus resultierenden geringeren Strombelastung ermöglichten geringeren Leitungsquerschnitte bzw. dünneren Leiterbahnen zu einem Gewichtsvorteil führen.The circuit arrangement according to the invention is can advantageously be used in an engine control unit of a motor vehicle, because of the use of a current-limited power amplifier and the resulting lower current load enabled smaller cable cross sections or thinner conductor tracks to one Lead weight advantage.

Die Erfindung wird nachfolgend, unter Bezugnahme auf die Zeichnung, anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles detaillierter erläutert, aus dem weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen. Im Einzelnen zeigenThe invention is described below under Reference to the drawing, based on a preferred embodiment explained in more detail the further features and advantages of the invention emerge. in the Show individuals

1 eine Schaltungsanordnung mit einer stromgeregelten Leistungsendstufe zum Betrieb einer Lambdasondenheizung gemäß dem Stand der Technik und 1 a circuit arrangement with a current-controlled power amplifier for operating a lambda probe heater according to the prior art and

2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum schnellen Hochheizbetrieb einer Lambdasondenheizung. 2 a circuit arrangement according to the invention for the rapid heating operation of a lambda probe heater.

Die 1 zeigt eine elektrische Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Lambdasondenheizung eines (nicht gezeigten) geregelten Katsystems einer Brennkraftmaschine bspw. eines Kraftfahrzeuges. Die Schaltungsanordnung weist eine Leistungsendstufe zur elektrischen Versorgung der vorliegend durch einen Heizwiderstand 10 gebildeten Lambdasondenheizung auf. Die elektrische Spannungsversorgung des Heizwiderstandes 10 wird durch die Batteriespannung 12 von + 14 Volt einer üblichen Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt.The 1 shows an electrical circuit arrangement for operating a lambda probe heater of a (not shown) regulated cat system of an internal combustion engine, for example a motor vehicle. The circuit arrangement has a power output stage for the electrical supply in the present case by a heating resistor 10 formed Lambda probe heating. The electrical power supply of the heating resistor 10 is by the battery voltage 12 of + 14 volts provided by a conventional motor vehicle battery.

Die Leistungsendstufe ist durch einen stromgesteuerten Feldeffekttransistor (FET) 14 gebildet, dessen Gate-Elektrode 16 durch ein von einem hier nur schematisch dargestellten Mikrocontroller 18 bereitgestelltes, getaktetes Steuersignal 20 angesteuert wird.The power output stage is through a current controlled field effect transistor (FET) 14 formed, the gate electrode 16 by a microcontroller shown only schematically here 18 provided, clocked control signal 20 is controlled.

Der FET 14 ist vorliegend als nicht strombegrenzend ausgeführt. Das Einstellen der maximal zulässigen effektiven Heizspannung, d.h. der am Heizwiderstand 10 abfallenden Spannung, erfolgt daher durch entsprechende Wahl der getakteten Einschaltzeit des FET 14. Daraus resultiert das hier gezeigte, vor dem Heizwiderstand 10 anliegende rechteckförmige Spannungssignal 22.The FET 14 is designed as not current limiting in the present case. The setting of the maximum permissible effective heating voltage, ie that on the heating resistor 10 falling voltage, is therefore carried out by appropriate selection of the clocked switch-on time of the FET 14 , This results in the one shown here in front of the heating resistor 10 applied rectangular voltage signal 22 ,

Für das Integral der Einschaltzeit des FET 14 gilt vorliegend der Zusammenhang
t_V_ein = (U_eff_TKU/U_Batt)^2
For the integral of the switch-on time of the FET 14 the context applies here
t_V_ein = (U_eff_TKU / U_Batt) ^ 2

In der 2 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum schnellen Hochheizbetrieb einer vorliegend ebenfalls durch einen über eine Batteriespannung 101 Heizwiderstand 100 gebildeten Lambdasondenheizung dargestellt.In the 2 is a circuit arrangement according to the invention for fast high-temperature operation, also in the present case by means of a battery voltage 101 heating resistor 100 Lambda probe heating formed shown.

Die Schaltungsanordnung weist eine mit dem Heizwiderstand 100 verbundene, vorliegend ebenfalls durch einen FET 102 gebildete Leistungsendstufe auf. Ein ebenfalls vorhandener Mikrocontroller 104 weist einen Analog/Digital-Wandlerkanal (ADC-Kanal) Eingang 106 auf, über welchen die am Ausgang 108 (vorliegend damit gleichzeitig auch an der FET-Drain-Elektrode 110) der Leistungsendstufe und damit ebenfalls die momentan am Heizwiderstand 100 anliegende Spannung in den Mikrocontroller 104 eingelesen wird. Diese Spannung wird demnach über den durch den Heizwiderstand 100 und den FET 102 gebildeten Spannungsteiler abgegriffen. Durch diesen Spannungsabgriff und dem an der Gate-Elektrode 112 des FET 102 wiederum eingespeisten Spannungssignal 114 liegt demnach im Ergebnis ein Rückkopplungszweig 116 vor, der ein vom Spannungsabfall am Heizwiderstand 100 abhängiges, nachregelndes Ansteuern des FET 102 ermöglicht.The circuit arrangement has one with the heating resistor 100 connected, also in the present case by an FET 102 formed power stage. An existing microcontroller 104 has an analog / digital converter channel (ADC channel) input 106 on which the exit 108 (In this case, this also applies to the FET drain electrode 110 ) of the power output stage and thus also the one currently on the heating resistor 100 applied voltage in the microcontroller 104 is read. This voltage is accordingly higher than that of the heating resistor 100 and the FET 102 tapped voltage divider tapped. Through this voltage tap and that at the gate electrode 112 of the FET 102 again voltage signal fed in 114 the result is a feedback branch 116 before the one from the voltage drop across the heating resistor 100 dependent, regulating control of the FET 102 allows.

Der Mikrocontroller 104 berechnet gemäß der nachfolgend angegebenen Formel die jeweils optimale Einschaltzeit t_V_ein des FET 102, d.h. das erforderliche Steuersignal (PWM-Signal) 114 zur FET-Ansteuerung über dessen Gate-Elektrode 112. Mittels des PWM-Signals 114 wird die momentan zulässige effektive Heizspannung am Heizwiderstand 100 optimal eingestellt. Durch eine Erhöhung der Einschaltzeit des FET 102 lässt sich die niedrigere, am Heizwiderstand 100 abfallende Spannung demnach kompensieren.The microcontroller 104 calculates the optimal switch-on time t_V_ein of the FET according to the formula given below 102 , ie the required control signal (PWM signal) 114 for FET control via its gate electrode 112 , By means of the PWM signal 114 becomes the currently permitted effective heating voltage at the heating resistor 100 optimally set. By increasing the switch-on time of the FET 102 the lower one can be found on the heating resistor 100 compensate for the falling voltage.

Für das Integral der Einschaltzeit gilt bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der Zusammenhang
t_V_ein = (U_eff_TKU/U_Heizverbraucher_aktuell)^2,
wobei U_eff_TKU die von der Leistungsendstufe (hier: FET 102) bereitgestellte effektive Spannung und U_Heizverbraucher_aktuell die momentan am Heizwiderstand 100 abfallende Spannung und wobei U_Heizverbraucher_aktuell die Differenz aus der Batteriespannung U_Batt 101 und der an den Mikrocontroller 104 übergebenen Spannung U_ADC_min_Wert darstellen.The relationship applies to the integral of the switch-on time in the circuit arrangement according to the invention
t_V_ein = (U_eff_TKU / U_Heizconsumer_aktuell) ^ 2 .
where U_eff_TKU that of the power output stage (here: FET 102 ) provided effective voltage and U_heating_current the current at the heating resistor 100 falling voltage and where U_heating_current the difference from the battery voltage U_Batt 101 and that to the microcontroller 104 represent the transferred voltage U_ADC_min_value.

Aufgrund der genannten Regelung und der Taktung des FET 102 mittels des Mikrocontrollers 104 ergibt sich das in der 2 ebenfalls gezeigte, am Heizwiderstand 100 anliegende rechteckförmige Spannungssignal 118. Diese weist eine Rampencharakteristik auf, durch die der durch den Heizwiderstand 100 fließende Strom begrenzt wird. Gegenüber dem Stand der Technik liegt hier somit nicht eine statische, sondern eine in der Größe variable Strombegrenzung vor. Nach einer Einschaltzeit von etwa 3–5 sec. liegt dann am Heizwiderstand 100 die volle Batteriespannung 101 an.Due to the regulation mentioned and the timing of the FET 102 by means of the microcontroller 104 that results in the 2 also shown on the heating resistor 100 applied rectangular voltage signal 118 , This has a rampa characteristic by which through the heating resistor 100 flowing current is limited. Compared to the prior art, there is therefore not a static, but a variable current limit in size. After a switch-on time of approx. 3-5 seconds, the heating resistor is then on 100 the full battery voltage 101 on.

Claims (6)

Elektrische Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Heizverbrauchers (100) mit kritischem Einschaltverhalten mittels einer Leistungsendstufe (102), insbesondere zum Betrieb einer Lambdasondenheizung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, gekennzeichnet durch einen mit dem Heizverbraucher (100) verbundenen Mikrocontroller (104) zur Erfassung der am bestromten Heizverbraucher (100) abfallenden elektrischen Spannung und zur Ansteuerung der Leistungsendstufe (102), so dass die am Heizverbraucher (100) abfallende elektrische Spannung möglichst kompensiert wird.Electrical circuit arrangement for operating a heating consumer ( 100 ) with critical switch-on behavior using a power output stage ( 102 ), in particular for the operation of a lambda probe heater of an internal combustion engine of a motor vehicle, characterized by one with the heating consumer ( 100 ) connected microcontroller ( 104 ) for recording the heat consumers that are powered ( 100 ) falling electrical voltage and for controlling the power output stage ( 102 ), so that on the heating consumer ( 100 ) falling electrical voltage is compensated for as far as possible. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (104) die Leistungsendstufe (102) nachregelnd so ansteuert, dass die am Heizverbraucher (100) maximal zulässige Heizspannung während des Heizbetriebs im Wesentlichen aufrechterhalten wird.Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the microcontroller ( 104 ) the power stage ( 102 ) controls in such a way that the heating consumer ( 100 ) the maximum permissible heating voltage is essentially maintained during heating operation. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (104) einen Analog/Digital-Kanal(ADC) Eingang (106) aufweist, über den die am Ausgang (108) der Leistungsstufe (102) anliegende Spannung mittels des durch den Heizverbraucher (100) und die Leistungsendstufe (102) gebildeten Spannungsteilers eingelesen wird.Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the microcontroller ( 104 ) an analog / digital channel (ADC) input ( 106 ) via which the output ( 108 ) the performance level ( 102 ) applied voltage by means of the heating consumer ( 100 ) and the power stage ( 102 ) formed voltage divider is read. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsendstufe (102) unter Einflussnahme auf deren Einschaltzeit angesteuert wird.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the power output stage ( 102 ) is controlled while influencing their switch-on time. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltzeit t_V_ein der Leistungsendstufe (102) durch das Quadrat des Quotienten aus der von der Leistungsendstufe (102) bereitgestellten effektiven Spannung U_eff_TKU und der momentan am Heizverbraucher (100) abfallenden Spannung U_Heizverbraucher_aktuell gebildet wird, wobei der Wert U_Heizverbraucher_aktuell die Differenz aus der Versorgungsspannung U_Batt (101) und der an den Mikrocontroller (104) übergebenen Spannung U_ADC_min_Wert darstellt.Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the switch-on time t_V_ein the power output stage ( 102 ) by the square of the quotient from the power stage ( 102 ) provided effective voltage U_eff_TKU and the current at the heating consumer ( 100 ) falling voltage U_Heizkunden_aktuell is formed, the value U_Heiz consumers_aktuell the difference from the supply voltage U_Batt ( 101 ) and that to the microcontroller ( 104 ) represents the transferred voltage U_ADC_min_value. Motorsteuergerät aufweisend eine Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Engine control unit comprising a circuit arrangement according to one of the preceding claims.
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