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Technisches
Gebiet
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In Kraftfahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen
sind auch bei niedrigen Geschwindigkeiten hohe Kühlleistungen zu erbringen.
Dazu werden Gebläse
eingesetzt, die eine Wärmeabfuhr
bewirken, wenn der Fahrtwind bei niedrigen Geschwindigkeiten des
Kraftfahrzeuges nicht mehr zur Wärmeabfuhr ausreicht.
An Personenwagen kommen in der Regel einteilig gespritzte Kunststofflüfter zum
Einsatz, welche auch in Nutzfahrzeugen zur Wärmeabfuhr Eingang gefunden
haben.
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Stand der Technik
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An Kühlgebläsen von Verbrennungskraftmaschinen
werden heute Gleichstrommotoren (DC-Motoren) eingesetzt, über welche
das Lüfterrad
des Gebläses,
gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Kupplung, angetrieben
wird. Die eingesetzten elektrischen Antriebe werden über Leistungssteuerungen
angesteuert, wozu eine Taktung der Versorgungsspannung bei einer
Frequenz über
15 kHz erfolgt. Die Taktung der Versorgungsspannung erfolgt durch
Pulsweitenmodulation, mit der das Pulsweitenverhältnis, d.h. die Pulspausenlänge zwischen
den Ansteuerungsimpulsen verlängert
oder verkürzt
werden kann, wodurch sich die Klemmenspannung an den Klemmen der
eingesetzten elektrischen Antriebe in einem weiten Bereich variieren
läßt. Durch
die Variation der Klemmenspannung an den Klemmen der elektrischen
Antriebe des Kühlgebläses kann
die Stromaufnahme des elektrischen Antriebes, bzw. das Drehmoment
des elektrischen Antriebes geregelt oder vorgegeben werden. Ferner
kann mit Hilfe der Pulsweitenmodulation der Versorgungsspannung
die Drehzahl der elektrischen Antriebe in weiten Bereichen verstellt
werden, was insbesondere dann von Interesse ist, wenn das Fahrzeug
mit geringer Geschwindigkeit fährt
oder stillsteht und durch eine Erhöhung der Drehzahl des elektrischen
Antriebes des Lüfterrades
eine ausreichende Wärmeabfuhr
am Kühler
der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet wird, wenn die Kühlung durch
den den Kühler durchströmenden Fahrtwind
nicht mehr ausreichend ist.
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Die Taktung der Versorgungsspannung,
die an den Klemmen der elektrischen Antriebe anliegt, macht hingegen
den Einsatz von Freilaufdioden sowie Kondensatorelementen erforderlich.
In der Regel kommen Elektrolytkondensatoren Die Freilaufdiode ermöglicht den
Freilauf des elektrischen Antriebes bzw. der elektrischen Antriebe,
während
die Elektrolytkondensatoren den Freilauf für die Zuleitung ermöglichen.
Damit die Elektrolytkondensatoren auch unter hohen Temperaturen
problemlos arbeiten und die geforderte Lebensdauer erreichen, werden
diese in der Regel kapazitätsmäßig groß dimensioniert. Ferner
kann es erforderlich sein, zwei Elektrolytkondensatoren parallel
zu schalten, um die gewünschte Glättung der
Restwelligkeit zu erreichen.
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DE 197 32 094 A1 bezieht sich auf eine Steuerschaltung
für einen
Gleichstrom-Motor. Dem Gleichstrom-Motor ist ein Elektrolytkondensator
parallelgeschaltet. Die Steuerschaltung weist eine Freilaufdiode
und eine Verpolschutzeinrichtung auf, die einen Transistorschalter
mit einer diesem parallelgeschalteten Diode enthält. Die Verpolschutzeinrichtung
ist in den Stromkreis des Elektrolytkondensators und der Freilaufdiode
geschaltet. Der Transistorschalter ist als N-Kanal Leistungs-MOS-FET
ausgebildet und liegt mit seinem Drain-Anschluß am Minus-Anschluß des Elektrolytkondensators
und an der Anode der Freilaufdiode. Die Freilaufdiode liegt mit ihrer
Kathode an der positiven Seite des Gleichstrom-Motors. Der Source-Anschluß ist an
die negative Seite des Gleichstrom-Motors angeschlossen, und der
Gate-Anschluß über einen
Widerstand an eine positive Spannung angelegt.
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DE 197 32 098 A1 bezieht sich ebenfalls auf eine
Steuerschaltung für
einen Gleichstrom-Motor. Der
Gleichstrom-Motor wird getaktet angesteuert und umfaßt einen
parallelgeschalteten Elektrolytkondensator sowie eine Freilaufdiode.
Gemäß dieser
Lösung
wird die Störabstrahlung
dadurch verringert, daß zwischen
der positiven Motorversorgungsspannung und dem Plus-Anschluß des Elektrolytkondensators
eine Drossel angeschlossen wird und daß die Freilaufdiode mit ihrer
Kathode zwischen der Drossel und dem Elektrolytkondensator und mit
ihrer Anode an der negativen Seite des Gleichstrom-Motors liegt.
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Darstellung
der Erfindung
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Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung der
Ansteuerung mehrerer elektrischer Antriebe läßt sich die Anzahl von Elektrolytkondensatoren
zur Glättung
der Spannung halbieren. Die Elektrolytkondensatoren stellen relativ
große
Bauteile dar, um die erforderlichen Kapazitäten aufzubringen. Gemäß der vorgeschlagenen
Lösung übernehmen die
beiden elektrischen Antriebe an einem Doppelgebläsekühler den Freilaufstrom beim
Ab schalten der die beiden elektrischen Antriebe ansteuernden Leistungsschalter,
die bevorzugt als Transistoren ausgebildet werden. Bei der in 1 dargestellten, aus dem
Stand der Technik bekannten Ansteuerschaltung übernehmen die Freilaufdiode
sowie die beiden parallelgeschalteten Elektrolytkondensatoren den gesamten
Freilauf. Durch die Realisierung des Freilaufes über die beiden elektrischen
Antriebe des Doppelgebläsekühlers halbiert
sich der Freilaufstrom, so daß einer
der bisher erforderlichen Elektrolytkondensatoren entfallen kann.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ansteuerschaltung
realisiert ein neuartiges H-Brückenkonzept
zur Halbierung des Freilaufstromes in Kondensator-Bauelementen und
Freilaufdiode. Neben der Reduktion von Bauraum durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung
kann auch die Verlustleistung erheblich reduziert werden, da die
Ströme halbiert
werden.
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Durch die Reduzierung der Elektrolytkondensatoren
wird außerdem
eine Kostenreduktion der Ansteuerschaltung erreicht, die bei einem
in Großserie
gefertigten Produkt nicht unerheblich ist.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend
beschrieben.
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Es zeigt:
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1 eine
Schaltung zur Leistungssteuerung elektrischer Antriebe mit zwei
parallel geschalteten Elektrolytkondensatoren und zwei elektrischen Antrieben
und
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2 eine
Ausführungsvariante
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ansteuerschaltung für
elektrische Antriebe eines Kühlgebläses mit
einem Elektrolytkondensator.
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Ausführungsvarianten
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1 ist
eine Schaltung zur Leistungssteuerung elektrischer Antriebe mit
zwei parallel geschalteten Elektrolytkondensatoren und zwei elektrischen Antrieben
zu entnehmen.
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Die in 1 dargestellte
bekannte Ansteuerschaltung umfaßt
eine Spannungsquelle, über
welche ein Bordnetz 2 eines Kraftfahrzeuges mit Spannung
versorgt wird. Gemäß der in 1 dargestellten Ansteuerschaltung
zweier elektrischer Antriebe 12 bzw. 14 sind ein
erster Elektrolytkondensator 3 und ein zweiter Elektrolytkondensator 4 parallel
geschaltet. Die Elektrolytkondensatoren 3 bzw. 4 sind
in Parallelschaltung 5 geschaltet und über Anschlußklemmen 6 in die
Ansteuerschaltung integriert. Die Elektrolytkondensatoren 3 bzw. 4 sind
bisher dafür eingesetzt
worden, die Welligkeit der Spannung, mit welchen der erste elektrische
Antrieb 12 bzw. der zweite elektrische Antrieb 14 versorgt
werden, zu glätten.
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Ferner stellen die in der Ansteuerschaltung gemäß 1 in Parallelschaltung 5 integrierten
Elektrolytkondensatoren 3 bzw. 4 großvolumige
Bauteile dar, die die in 1 dargestellte
Ansteuerschaltung eines ersten bzw. zweiten elektrischen Antriebes 12 und 14 nicht
unerheblich verteuern.
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In die Ansteuerschaltung gemäß 1 sind ein erster Leistungsschalter
sowie ein weiterer, zweiter Leistungsschalter 11 integriert.
Die Leistungsschalter können
als Transistoren ausgebildet sein, deren Transistorbasis mit Bezugszeichen 8 bezeichnet
ist. Der jeweiligen Transistorbasis 8 des ersten Leistungsschalters 7 und
des zweiten Leistungsschalters 11 sind ein erstes Transistorgate 9 sowie ein
zweites Transistorgate 10 zugeordnet. Über die Leistungsschalter 7 bzw. 11 werden
die elektrischen Antriebe 12 bzw. 14 geschaltet,
die als mit Bürsten 13 versehene
elektrische Motoren ausgebildet sind. Die elektrischen Antriebe 12 bzw. 14 werden
bevorzugt als permanent erregte Gleichstrom-Motoren ausgebildet.
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Dem ersten elektrischen Antrieb 12 sowie dem
zweiten elektrischen Antrieb 14 gemäß der Ansteuerschaltung in 1 ist eine in einem Parallelzweig 16 enthaltene
Freilaufdiode 15 zugeordnet, mit der der Freilauf des ersten
elektrischen Antriebes 12 und des zweiten elektrischen
Antriebes 14 ermöglicht wird.
Der Freilauf der Zuleitung, d.h. über die Fahrzeugbatterie und
eine Sicherung zum Doppelgebläse,
wird über
die in Parallelschaltung 5 in die Ansteuerschaltung integrierten
Elektrolytkondensatoren 3 bzw. 4 erreicht. Die
Freilaufdiode 15, die im Parallelzweig 16 der
Ansteuerschaltung geschaltet ist, ist in dem ersten Leistungszweig 7 des
ersten elektrischen Antriebes 12 sowie einem weiteren Leistungszweig 18 des
zweiten elektrischen Antriebes 14 parallel gelegt.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Variante der
Ansteuerschaltung für
zwei elektrische Antriebe eines Doppelgebläsekühlers.
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Gemäß der in 2 wiedergegebenen Ausführungsvariante
dient die Spannungsquelle 1 einerseits der Versorgung der
Ansteuerschaltung sowie andererseits der Versorgung eines durch
die Anschlußleitungen
symbolisierten Bordnetzes 2 eines Kraftfahrzeuges. Die
Ansteuerschaltung gemäß 2 dient der Ansteuerung
eines ersten elektrischen Antriebes 12 sowie des zweiten
elektrischen Antriebes 14, die jeweils ein Lüfterrad
eines Doppelgebläsekühlers antreiben,
wie er beispielsweise an Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen zur
Wärmeabfuhr
eingesetzt wird.
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Nach der erfindungsgemäßen Ausführungsvariante
der Ansteuerschaltung zur Ansteuerung des ersten elektrischen Antriebes 12 bzw.
des zweiten elektrischen Antriebes 14 ist neben den im
ersten Leistungsschalter 7 sowie dem zweiten Leistungsschalter 11 ein
weiterer Leistungsschalter 21 vorgesehen. Der weitere Leistungsschalter 21,
der ebenfalls als ein Transistor ausgebildet werden kann, dient
zum Ein- und Ausschalten des ersten elektrischen Antriebes 12 bzw.
des zweiten elektrischen Antriebes 14. Zur Vereinfachung
des Aufbaus der in 2 dargestellten
Ansteuerschaltung können
der erste Leistungsschalter 7, der zweite Leistungsschalter 14 sowie
der weitere Leistungsschalter 21 als Transistoren ausgebildet
werden, deren Transistorbasis jeweils mit Bezugszeichen 8 bezeichnet
ist. Die jeweiligen Transistorgates sind mit den Bezugszeichen 9 bzw. 10 bezeichnet,
analog zur Ansteuerschaltung gemäß 1. Die Leistungsschalter 7, 11 und 21 können als
MOSFET-Halbleiterbauelemente oder als Bipolartransistoren, ferner
als IGBT- oder IGCT-Transistoren
ausgebildet werden. Die Leistungsschalter 7, 11 und 21 werden
bevorzugt als MOSFET-Halbleiterbauelemente ausgebildet, die ein schnelles
Schalten erlauben.
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Während
der weitere Leistungsschalter 21 als Ein/Ausschalter 20 für die Ansteuerschaltung dient,
werden der erste Leistungsschalter 7 sowie der zweite Leistungsschalter 11 über ein
PWM-Signal 27 angesteuert. Das PWM (pulsweitenmodulierte)
Signal 27 ist in Bezug auf den ersten Leistungsschalter 7 und
den zweiten Leistungsschalter 11 gleichphasig getaktet,
d.h. die beiden elektrischen Antriebe 12 bzw. 14 werden
gleichzeitig betrieben. Während
das Ein/Ausschalten 20 über
den weiteren Leistungsschalter 21, der in der in 2 dargestellten Ausführungsvariante
unterhalb des zweiten elektrischen Antriebes 14 geschaltet
ist, erfolgt, dienen der erste Leistungsschalter 7 bzw.
der zweite Leistungsschalter 11 der Leistungsregelung des
ersten elektrischen Antriebes 12 und des zweiten elektrischen
Antriebes 14. Die Leistungsabgabe hinsichtlich der abzudeckenden
Gebläseleistung
des ersten elektrischen Antriebes 12 bzw. des zweiten elektrischen
Antriebes 14 ist abhängig
von der Taktung der PWM-Signale hinsichtlich der Länge ihrer
Pulspausen bzw. hinsichtlich der Länge der Pulsphasen.
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Beim gleichzeitigen Einschalten der
beiden elektrische Antriebe 12 bzw. 14 für die Lüfter eines Doppelgebläsekühlers geben
der erste elektrische Antrieb 12 bzw. der zweite elektrische
Antrieb 14 etwa 25% ihrer Gebläseleistung ab. Der erste elektrische
Antrieb 12 und der zweite elektrische Antrieb 14 werden
immer gleichzeitig betrieben, um einen Strömungskurzschluß durch
die beiden den elektrischen Antrieben 12 bzw. 14 jeweils
zugeordneten Lüftenädern zu
vermeiden. Beim Einschalten des weiteren Leistungsschalters 21 werden
die beiden elektrischen Antriebe 12 bzw. 14 so
angesteuert, daß diese mit
einer einer ersten Gebläseleistung
entsprechenden Drehzahl rotieren. Beim Einschalten des ersten elektrischen
Antriebes 12 und des zweiten elektrischen Antriebes 14,
die beispielsweise als Bürsten enthaltende
Elektromotoren ausgebildet sein können (permanent erregte Gleichstrom-Motoren),
denen jeweils ein Kommutator 24 zugeordnet ist, erfolgt
der Stromfluß,
da der ersten Leistungsschalter 7 und der zweite Leistungsschalter 11 gesperrt
sind, vom ersten elektrischen Antrieb 12 eines Lüfterrades über eine
Verbindungsleitung 26 in den Leitungszweig 23 und
von dort durch den geöffneten
weiteren Leistungsschalter 21 zurück zur Spannungsquelle. In
die Verbindungsleitung zwischen einem Leitungszweig 22,
in welchem der erste elektrische Antriebe 12 aufgenommen
ist und dem Leitungszweig 23 des zweiten elektrischen Antriebes 14 ist
eine Freilaufdiode 15 integriert, welcher einen Stromfluß vom ersten elektrischen
Antrieb 12 zum zweiten elektrischen Antrieb 14 ermöglicht.
Die in der Verbindungsleitung 26 enthaltene Freilaufdiode 15 ist
in Durchlaßrichtung auf
den zweiten elektrischen Antrieb 14 im Leitungszweig 23 geschaltet.
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Werden die ersten Leistungsschalter 7 bzw. der
zweite Leistungsschalter 11 zur Schaltung ihrer Gates 9 bzw. 10 auf
leitend geschaltet, so fließt
der Strom für
den ersten elektrischen Antrieb 12 über die im Leitungszweig 22 aufgenommenen
zweiten Leistungsschalter 11, und hinsichtlich des zweiten
elektrischen Antriebes 14 über den ersten Leistungsschalter 7 und
den weiteren Leistungsschalter 21, die beide im Leitungszweig 23 aufgenommen
sind.
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Das gleichphasige, an den Leistungsschaltern 7 bzw. 11 anliegende
PWM-Signal 27 bewirkt bei eingeschaltetem weiteren Leistungsschalter 21 eine Ansteuerung
des ersten elektrischen Antriebes 12 für einen ein Lüfterrad
bzw. über
den zweiten elektrischen Antrieb 14 für das weitere Lüfterrad
eines Doppelgebläsekühlers die
Steigerung der Drehzahlen der beiden elektrischen Antriebe 12 bzw. 14,
bis eine nahezu 100%-ige Gebläseleistung
erreicht ist. Der weitere Leistungsschalter 21 ist stets
eingeschaltet, während
im Vergleich zu diesem der erste Leistungsschalter 7 sowie
der zweite Leistungsschalter 11 immer gleichzeitig ein-
und ausgeschaltet werden, um einerseits die geforderten Kühlleistungen
zu erbringen und andererseits einen Strömungskurzschluß an einem
Doppelgebläsekühler zu
vermeiden. Durch eine entsprechende Modulation des PWM-Signals 27,
welches dem ersten Leistungsschalter 7 bzw. dem zweiten
Leistungsschalter 11 zugeführt wird (hinsichtlich der
Pulspausen und der Pulsphasen) kann die Leistung des ersten elektrischen
Antriebes 12 und des zweiten elektrischen Antriebes 14 in
einem Bereich zwischen 25 und 100% der erforderlichen Leistung gesteuert
werden. Eine etwa 25% der Maximalleistungsabgabe des ersten elektrischen
Antriebes 12 und des zweiten elektrischen Antriebes 14 wird
durch das Einschalten des weiteren Leistungsschalters 21 erreicht,
wohingegen eine weitere Leistungssteigerung des ersten elektrischen
Antriebes 12 und des zweiten elektrischen Antriebes 14 in
dem genannten Bereich über
eine entsprechende Modulation oder Taktung des PWM-Signals 27 erreicht
werden kann. Wie der Darstellung gemäß 2 des weiteren entnommen werden kann,
erfolgt über
einen PWM-Ansteuerblock die Ansteuerung des ersten Leistungsschalters 7 bzw.
des zweiten Leistungsschalters 11 mit einem pulsweitenmodulierten
Signal 27, welches jeweils an der Transistorbasis 8 des
ersten Leistungsschalters 7 bzw. des zweiten Leistungsschalters 11 anliegt.
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Da die elektrischen Antriebe 12 bzw.
14 den Freilaufstrom beim Abschalten des ersten Leistungsschalters 7 bzw.
des zweiten Leistungsschalters 11 übernehmen, kann die Anzahl
der Kondensatorbauelemente halbiert werden. Daher ist in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ansteuerleitung gemäß 2 lediglich ein erster Elektrolytkondensator 3 erforderlich.
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Mit der erfindungsgemäßen Konfiguration der
Ansteuerschaltung gemäß 2 läßt sich die Anzahl der Elektrolytkondensatoren
verringern. Durch die Verringerung der Anzahl der Elektrolytkondensatoren,
die aufgrund ihrer Lebensdauer und ihrer Temperaturbeanspruchung
recht groß dimensioniert
werden, kann eine kompakter bauende Ansteuerschaltung ausgebildet
werden. Durch die Ausbildung der Leistungsschalter 7, 11 bzw.
21 als Halbleiterbauelemente, seien es MOSFET-Schalter, Bipolartransistoren,
IGBT- oder IGCT-Transistoren,
ist die Ansteuerschaltung für
den hier dargestellten Doppelgebläsekühler wesentlich temperaturunempfindlicher
ausgestaltbar. Während
analog zur in 1 dargestellten, bekannten
Ansteuerschaltung eine Freilaufdiode 15 zur Gewährleistung
des freien Laufes des ersten elektrischen Antriebes 12 bzw.
des zweiten elektrischen Antriebes 14 nach wie vor zum
Einsatz kommt, können
gemäß der in 2 dargestellten Konfiguration
der Ansteuerschaltung die Anzahl der Elektrolytkondensatoren reduziert
werden.
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Durch die in 2 dargestellte Konfiguration der Ansteuerschaltung
zur Ansteuerung des ersten elektrischen Antriebes 12 und
des zweiten elektrischen Antriebes 14 kann bei entsprechender
Beeinflussung der PWM-Signale 27, die im ersten Leistungsschalter 7 bzw.
dem zweiten Leistungsschalter 11 zugeführt werden, auch ein voneinander
abweichender Betrieb des ersten elektrischen Antriebes 12 und
des zweiten elektrischen Antriebes 14 vorgesehen werden.
Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit
von der Temperaturverteilung im Kühler erforderlich sein, wo
an der Seite, an der die sehr heiße Motorkühlflüssigkeit zuerst eintritt, unter
bestimmten Betriebsbedingungen eine erhöhte Wärmeabfuhr erforderlich wird.
Entsprechend der Taktung des PWM-Signals 27 des entsprechenden
elek trischen Antriebes 12 bzw. 14 kann auf dieser
"heißen"
Seite des Kühlers
für eine
verbesserte Wärmeabfuhr
gesorgt werden, während
auf der "kalten" Seite des Kühlers
eine geringere Wärmeabfuhr
benötigt
wird.
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- 1
- Spannungsquelle
UB
- 2
- Bordnetz
- 3
- erster
Elektrolytkondensator
- 4
- zweiter
Elektrolytkondensator
- 5
- Parallelschaltung
- 6
- Anschlußklemmen
- 7
- erster
Leistungsschalter (Transistor)
- 8
- Transistorbasis
- 9
- erstes
Transistorgate
- 10
- zweites
Transistorgate
- 11
- zweiter
Leistungsschalter (Transistor)
- 12
- erster
elektrischer Antrieb
- 13
- Bürsten
- 14
- zweiter
elektrischer Antrieb
- 15
- Freilaufdiode
- 16
- Parallelzweig
- 17
- Leitungszweig
erster elektrischer Antrieb 12
- 18
- Leitungszweig
zweiter elektrischer Antrieb 14
- 20
- Ein/Ausschalter
- 21
- weiterer
Leistungsschalter
- 22
- Leitungszweig
erster elektrischer Antrieb 12
- 23
- Leitungszweig
zweiter elektrischer Antrieb 14
- 24
- Kommutator
- 25
- Taktsignaleingang
- 26
- Verbindungsleitung
mit Freilaufdiode
- 27
- gleichphasiges
PWM-Signal