DE10303779A1 - Device for charging and discharging piezoelectric elements e.g. for motor vehicle common rail diesel fuel injectors, has two parallel circuits connected together at their output sides and to choke terminal - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, insbesondere von Piezoaktuatoren in Injektoren zur Kraftstoffeinspritzung in Kraftfahrzeugen.The invention relates to a device for charging and discharging piezoelectric elements, in particular of piezoactuators in injectors for fuel injection in Motor vehicles.
Aus "Piezo-Aktorik löst Magnetventiltechnik ab", Elektronik Automotive, April 2002 ist es bekannt, Piezo-Aktoren in Common-Rail-Diesel-Kraftstoffeinspritzsystemen anstelle von Magnetventilen zu verwenden, da durch das schnellere Schalten von Piezo-Injektoren eine bessere zeitliche und räumliche Verteilung des eingespritzten Kraftstoffes möglich ist. Die Kraftstoffmenge kann auf mehrere Einzeleinspritzungen verteilte werden, d.h. mehrere Voreinspritzungen sehr kleiner Kraftstoffmenge folgen der Haupteinspritzung sowie bei Bedarf wiederum mehrere Nacheinspritzungen.From "Piezo actuators replace solenoid valve technology", Electronics Automotive, April 2002, it is known piezo actuators in common-rail diesel fuel injection systems Instead of using solenoid valves, because of the faster Switching from piezo injectors a better temporal and spatial distribution the injected fuel is possible. The amount of fuel can be distributed to several single injections, i. several Pre-injections of very small amounts of fuel follow the main injection and, if necessary, several injections again.
Beispielsweise ist aus der
Die Spannungsquelle wird durch ein
kapazitive Eigenschaften aufweisendes Element, welches im betrachteten
Beispiel ein Speicherkondensator CSP ist,
gebildet. Der Speicherkondensator CSP wird durch
einen Batterie B, beispielsweise eine Kfz-Batterie und einen dieser nachgeschalteten
Gleichspannungsbzw. DC/DC-Wandler
Das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements P erfolgt durch Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element, nämlich dem Speicherkondensator CSP über ein induktive Eigenschaften aufweisendes Element, beispielsweise die Drossel L, zum piezoelektrischen Element P oder umgekehrt.The charging and discharging of the piezoelectric element P takes place by carrying out a charge transport from an element having capacitive properties, namely the storage capacitor C SP via an element having inductive properties, for example the inductor L, to the piezoelectric element P or vice versa.
Das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements P erfolgt getaktet, d.h. der Ladeschalter S11 und der Entladeschalter S22 werden während des Lade- bzw. Entladevorgangs wiederholt geschlossen und geöffnet.The charging and discharging of the piezoelectric Elements P is clocked, i. the charging switch S11 and the discharging switch S22 will be during of the charging or discharging repeatedly closed and opened.
Es ist weiterhin aus dieser Druckschrift bekannt, bei mehreren zu ladenden und entladenden piezoelektrischen Elementen jedes Piezoelement über einen ersten Widerstand mit Masse zu verbinden und parallel zu dieser Anordnung eine Reihenschaltung aus einem zweiten Widerstand und eine Parallelschaltung aus einem Stopschalter und einer Diode vorzusehen.It is still from this document known, with several to be charged and discharged piezoelectric Elements each piezo element over a connect the first resistor to ground and parallel to it Arrangement a series connection of a second resistor and to provide a parallel circuit of a stop switch and a diode.
Der zweite Widerstand, der Stopschalter und die Diode dienen dazu, die piezoelektrischen Elemente vollständig zu entladen, falls diese durch das "normale" Entladen nicht vollständig entladen wurden. Der Stopschalter wird vorzugsweise nach dem "normalen" Entladen, d.h. dem getakteten Entladen über den Entladeschalter S22 geschlossen. Er schließt damit das Piezoelektrische Element über die Widerstände kurz und sorgt so für das Entfernen von eventuell in dem piezoelektrischen Element verbliebener Restladung.The second resistor, the stop switch and the diode serve to completely close the piezoelectric elements unload if they are not completely discharged by the "normal" unloading were. The stop switch is preferably after the "normal" unloading, i. the clocked unloading over closed the discharge switch S22. He concludes the piezoelectric Element over the resistances short and ensures so the removal of any remaining in the piezoelectric element Residual charge.
Der erste Widerstand dient zur Messung der beim Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente fließenden Ströme.The first resistor is for measurement the currents flowing during charging and discharging of the piezoelectric elements.
Die Kenntnis dieser Ströme ermöglicht ein geregeltes Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente P; insbesondere kann durch ein von der Größe der Ströme abhängendes Schließen und Öffnen des Ladeschalter S11 und des Entladeschalters S22 erreicht werden, dass der Ladestrom und der Entladestrom auf vorbestimmte Mittelwerte eingestellt werden und/oder vorbestimmte Maximalwerte und/oder Minimalwerte nicht übersteigen bzw. unterschreiten.The knowledge of these currents allows a regulated Charging and discharging the piezoelectric elements P; in particular can by a depending on the size of the streams Conclude and open the charging switch S11 and the discharging switch S22 are reached, that the charging current and the discharge current to predetermined average values are set and / or predetermined maximum values and / or minimum values do not exceed or fall below.
Die mit dem Stopschalter parallel geschaltete Diode verhindert das Auftreten negativer Spannungen an den piezoelektrischen Elementen, da diese hierdurch unter Umständen zerstört werden können.The parallel with the stop switch switched diode prevents the occurrence of negative voltages at the piezoelectric elements, as these may be destroyed by this can.
Problematisch bei derartigen Vorrichtungen zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ist jedoch eine sehr hohe Verlustleistung. Die in den Vorrichtungen erzeugte Wärme ist ggf. durch eine einfache Luftkühlung nicht mehr abführbar, so dass eine zusätzliche Wasserkühlung erforderlich wird, die den Bauraum vergrößert und die Kosten erhöht.Problematic in such devices for Charging and discharging piezoelectric elements, however, is a very high power loss. The heat generated in the devices is possibly by a simple air cooling no longer dischargeable, so an extra water cooling is required, which increases the space and increases the cost.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einer Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente zu schaffen, die eine verringerte Verlustleistung aufweist, so dass eine zusätzliche Wasserkühlung nicht mehr erforderlich ist.It is therefore an object of the present invention an apparatus for loading and unloading pie To provide zoelektrischer elements having a reduced power loss, so that an additional water cooling is no longer required.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, insbesondere von Piezoaktuatoren in Injektoren zur Kraftstoffeinspritzung in Kraftfahrzeugen mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention this object is achieved by a Device for charging and discharging piezoelectric elements, in particular of piezoactuators in injectors for fuel injection in Motor vehicles solved with the features of claim 1. advantageous Further developments of the invention are specified in the subclaims.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente kann mit geringem Bauteileaufwand unter Verwendung von zwei Leistungsschaltern, von denen nur einer stromführend ist und geringe Durchlassverluste aufweist, die Verlustleistung deutlich verringert werden. Abschaltverluste werden durch die Ausbildung von Kondensatoren über die zwei Leistungsschalter und Nullspannungsschalten fast vollständig vermieden. Eine zusätzliche Wasserkühlung ist dadurch nicht mehr erforderlich.By the inventive device for Charging and discharging piezoelectric elements can be low Component overhead using two circuit breakers, from which only one energized is and has low forward losses, the power loss be significantly reduced. Shutdown losses are due to the training of Capacitors over the two circuit breakers and zero voltage switching almost completely avoided. An additional water cooling is no longer necessary.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.These and other tasks, features and advantages of the present invention will become apparent from the following Description of a preferred embodiment in conjunction with the drawing obvious.
Es zeigen:Show it:
Bei neuen Dieselmotoren mit Common-Rail-Einspritzung oder Otto-Motoren mit strahlgeführter Direkteinspritzung werden Injektoren mit Piezoaktuatoren eingesetzt, um die hohen Dynamikanforderungen bei Mehrfacheinspritzungen zu erfüllen. Piezoaktuatoren verhalten sich elektrisch wie nichtlineare verlustbehaftete Kapazitäten. Bei Betrieb des Aktuators wird der nichtlineare Kondensator auf- und entladen, d.h. es muss Ladung bzw. Energie aufgebracht und heruntergenommen werden. Die Ladekurve ist dabei hysteresebehaftet.For new diesel engines with common-rail injection or petrol engines with spray-guided Direct injection, injectors with piezoactuators are used, to the high dynamic requirements of multiple injections fulfill. Piezoactuators behave electrically like non-linear lossy ones Capacities. During operation of the actuator, the non-linear capacitor is opened and closed unloaded, i. it has to be charged or taken down and taken down become. The charge curve is hysteresis.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, die für den vorstehend erwähnten Zweck verwendbar ist und eine wesentlich verringerte Verlustleistung aufweist, wodurch keine zusätzliche Wasserkühlung erforderlich ist. Jedoch besteht keine Einschränkung auf einen derartigen Einsatz piezoelektrischer Elemente; die piezoelektrischen Elemente können grundsätzlich in beliebigen Vorrichtungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.The present invention relates Therefore, a device for loading and unloading piezoelectric Elements for the aforementioned Purpose is usable and a significantly reduced power dissipation which means no additional water cooling is required. However, there is no limitation to such use piezoelectric elements; The piezoelectric elements can basically in any devices for be used for any purpose.
In
Beispielsweise ist der Wirkungsgrad
des Schaltwandlers
- – Maximale Piezospannung UP = 200V
- – Piezokapazität bei 200V CP = 6μF
- – Lade- bzw. Entladezeit t = 200μs
- - Maximum piezo voltage U P = 200V
- - Piezocapacity at 200V C P = 6μF
- - Charging or discharging time t = 200μs
In
Die Vorgaben durch die Piezoeigenschaften führen im bevorzugten Ausführungsbeispiel zu folgenden Konsequenzen:
- – Der mittlere Ladestrom für das piezoelektrische Element muss IP = 6A sein.
- – Für den eingangsseitigen mittleren Lade- bzw. Schaltwandlerstrom von 6A wird eine eingangsseitige Speicherspannung von USP > 200V benötigt.
- – Es ist ein Gleichspannungs/Gleichspannungs(DC/DC)-Wandler zur Wandlung der Betriebsspannung UB = 14V auf USP > 200V erforderlich.
- – Wegen der kurzzeitigen hohen Leistungsaufnahme von 200·6VA ist ein Speicher erforderlich, damit der DC/DC-Wandler für eine wesentlich geringere Spitzenleistung ausgelegt werden kann.
- - The average charging current for the piezoelectric element must be I P = 6A.
- - For the input-side average charging or switching converter current of 6A, an input-side storage voltage of U SP > 200V is required.
- - It is a DC / DC converter (DC / DC) to convert the operating voltage U B = 14V to U SP > 200V required.
- - Due to the short-term high power consumption of 200 · 6VA, a memory is required, so that the DC / DC converter can be designed for a much lower peak power.
Der Speicherkondensator CSP hat beispielsweise eine Kapazität von ca. 50μF.The storage capacitor C SP , for example, has a capacity of about 50μF.
Eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente erzeugt beim Betrieb Verlustwärme. Der Aufwand für die Ableitung der Verlustwärme und damit die Verlustwärmemenge sollte daher so gering wie möglich sein. Bei herkömmlichen Vorrichtungen zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ist das Wärmeaufkommen jedoch hoch.A device for charging and discharging piezoelectric Elements generates waste heat during operation. The effort for the derivation the heat loss and thus the amount of heat loss should therefore be as low as possible his. In conventional devices for charging and discharging piezoelectric elements is the heat however high.
Der Hauptanteil der Verlustleistung der Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente entsteht herkömmlich im Lade- bzw. Schaltwandler in den Bauteilen mit ohmschem Wi derstand, die einen hohen Ladestrom führen. Es sind dies Halbleiterschalter und eine Drossel im Schaltwandler. Die Verluste in den Halbleiterschaltern setzen sich aus Abschaltverlusten und Durchlassverlusten zusammen. Die Abschaltverluste könnten durch schneller schaltende Transistoren reduziert werden. Kürzere Schaltzeiten würden jedoch höherwertige Transistoren erfordern, den Aufwand für die Treiberschaltung erhöhen, einen induktivitätsarmen Treiberaufbau erfordern und daher die Kosten erhöhen.The main part of the power loss the device for charging and discharging piezoelectric elements arises conventionally in the charging or switching converter in the components with ohmic Wi resistance, which carry a high charging current. These are semiconductor switches and a choke in the switching converter. The losses in the semiconductor switches consist of switch-off losses and transmission losses together. The turn-off losses could be due to faster switching transistors are reduced. Shorter switching times, however, would higher quality transistors require the effort for increase the driver circuit, a low-inductance Require driver construction and therefore increase the cost.
Diese vorstehend angeführten Nachteile von in herkömmlichen Vorrichtungen zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente, insbesondere durch den dort verwendeten Lade- bzw. Schaltwandler sollen nun durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente beseitigt werden.These above-mentioned disadvantages from in conventional Devices for charging and discharging piezoelectric elements, in particular by the charge or switching converter used there should now by the inventive device for loading and Discharge piezoelectric elements are eliminated.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ist in
In der DC/DC-Wandlervorrichtung
Der Schaltwandler
Der Stopschalter
Die Ausganganschlüsse des Stopschalters
Im Folgenden wird die Funktion des Schaltwandlers in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente genauer erläutert.The following is the function of the Switching converter in the inventive device for loading and Discharge piezoelectric elements explained in more detail.
Beim Aufladevorgang der Piezokapazität P sind
im Schaltwandler
Um Abschaltverluste der Leistungshalbleiter zu
vermeiden, sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und
Entladen piezoelektrischer Elemente im Schaltwandler
In
Bevor der erste Leistungsschalter
S1 wieder eingeschaltet werden kann, muss die Spannung U3 wieder
auf den Wert Null bzw. U2 auf U1 gebracht werden, wie in
Der zweite Leistungsschalter S2 bleibt solange geschlossen, bis ein genügend hoher Strom bzw. ausreichend Energie in der Drossel L gespeichert ist. Nach dem Öffnen des zweiten Leistungsschalters S2 werden die ersten und zweiten Kondensatoren C1 und C2 mit dem negativen Strom umgeladen.The second power switch S2 remains as long as closed, until one is enough high current or sufficient energy stored in the inductor L. is. After opening of the second power switch S2 become the first and second Capacitors C1 and C2 are recharged with the negative current.
Analoge Vorgänge gelten für das Abschalten des zweiten Leistungsschalters S2 beim Entladen der Piezokapazität.Analogous operations apply to switching off the second circuit breaker S2 when discharging the piezo capacity.
Die Energie für den Umladevorgang muss der Piezokapazität P zuvor entnommen werden. Ein negativer Strom ist mit einer leichten Abnahme der Piezospannung UP verbunden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel schwankt der Strom zwischen 18A und – 6A. Mit diesem Strom wird die Piezokapazität von 6μF in 200 μs von 0V auf 200V aufgeladen. Die Frequenz beträgt etwa 50 kHz.The energy for the reloading process must be taken from the piezo capacity P beforehand. A negative current is associated with a slight decrease in the piezo voltage U P. In the preferred embodiment, the current varies between 18A and -6A. With this current, the piezo capacity of 6μF in 200μs is charged from 0V to 200V. The frequency is about 50 kHz.
Somit können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente mit wenigen Bauteilen und geringem geschalteten Strom sowie jeweils nur einem stromführenden Leistungsschalter zu einem bestimmten Zeitpunkt Schalterverluste erheblich reduziert werden. Durch die Verwendung von MOSFETs für die Leistungsschalter anstelle von IGBTs können die Durchlassverluste weiter verringert werden. Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Schaltwandler eine erheblich reduzierte Verlustleistung erzielt werden. Dadurch ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente möglich, auf eine zusätzliche Kühlung zu verzichten.Thus, in the device according to the invention for charging and discharging piezoelectric elements with few components and low switched current and in each case only one current-carrying Circuit breaker at a given time switch losses be significantly reduced. By using MOSFETs for the circuit breakers instead of IGBTs the forward losses are further reduced. In this way can with the switching converter according to the invention a significantly reduced power loss can be achieved. Thereby it is in the device according to the invention possible to charge and discharge piezoelectric elements an additional cooling to renounce.
Selbstverständlich ist es auch möglich, nur eine
DC/DC-Wandlervorrichtung
Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung
eine Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente,
mit der eine deutlich verringerte Verlustleistung und damit eine
deutliche verringerte Erwärmung
erzielt werden kann, so dass keine aufwendige Kühlung erforderlich ist. In
der Vorrichtung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente
ist eine DC/DC-Wandlervorrichtung
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