Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung
der Temperatur eines Elektromagneten zu schaffen, das ohne zusätzliche
Sensoren oder Messeinrichtungen, zuverlässig die aktuelle Temperatur
des Elektromagneten bereitstellt.
Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch ein Verfahren mit den Schritten aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird der Elektromagnet, dessen Temperatur zu messen ist, über eine
Motorsteuerung angesteuert. Die Motorsteuerung berechnet ausgehend
von einer Anfangstemperatur, der Umgebungstemperatur und einem Stromfluss
durch den Elektromagneten den aktuellen Wert für die Spulentemperatur. Dem
Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine ausreichend genaue Bestimmung
der aktuellen Temperatur es genügt,
die Erwärmung
der Temperatur durch den Stromfluss ausgehend von einer Anfangstemperatur
zu berechnen. Aus diesen Werten kann dann der aktuelle Wert für die Spulentemperatur
bestimmt werden. Durch den Stromfluss ist der Temperaturanstieg
bekannt. Die Abkühlung
des Elektromagneten ist proportional zu einer Differenz aus der
Anfangstemperatur des Elektromagneten und der Umgebungstemperatur.
Mit der Dauer der Auskühlung
nimmt die Temperatur ab, bis die Umgebungstemperatur erreicht ist.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es nicht erforderlich, einen zusätzlichen Temperatursensor in
den Elektromagneten zu integrieren. Es ist lediglich erforderlich,
auf den Wert für
eine Umgebungstemperatur und den Stromfluss durch den Elektromagneten
zurückzugreifen.
Die Anfangstemperatur des Elektromagneten ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
entweder aus dem Verfahren selbst oder wird nach einer längeren Betriebspause
der Brennkraftmaschine auf den Wert der Umgebungstemperatur gesetzt.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
berechnet die Motorsteuerung den aktuellen Wert für die Temperatur
der Spule für
eine Aufheizphase mit Hilfe einer ersten Kennlinie. Die erste Kennlinie
gibt einen Temperaturwert über
der Bestromungsdauer an. Bei einer pulsweiten modulierten Bestroung
wird die Bestromungsdauer mit dem Tastverhältnis multipliziert. In der
Abkühlphase
wird die Temperatur mit Hilfe einer zweiten Kennlinie ermittelt,
in der ein Temperaturfaktor über
der Abkühldauer
aufgetragen ist. Der Temperaturfaktor wird mit der Differenz aus
Umgebungstemperatur und Anfangstemperatur multip liziert. Bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren
wird bei einem Wechsel von einer Abkühlphase zu einer Erwärmungsphase
oder umgekehrt jeweils der in der vorausgehenden Phase zuletzt ermittelte
Temperaturwert als Anfangstemperatur für die nachfolgende Phase verwendet.
Lediglich bei längeren
Ruhepausen wird die Anfangstemperatur auf den aktuellen Wert der
Umgebungstemperatur gesetzt.
In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die erste und die zweite Kennlinie
auf ein vorbestimmtes Einheitsintervall normiert. Die normierten „Ur"-Kennlinien werden
durch Multiplikation mit den geeigneten Koeffizienten in X- und
Y-Richtung gestaucht oder gedehnt, um den konkret sich ergebenden
Temperaturwert aus den Kennlinien zu bestimmen. Die Normierung der
Kennlinien besitzt dabei den Vorteil, dass eine Anpassung an unterschiedliche
Bauteile leichter vorgenommen werden kann.
Bevorzugt
wird der Temperaturanstieg gegenüber
der Anfangstemperatur über
die Verlustleistung an dem Elektromagneten und einen vorbestimmten
Wärmeübergangswiderstand
bestimmt. Der so ermittelte Wert für den Temperaturanstieg wird
zusätzlich
im Hinblick auf seine Betriebsspannungsabhängigkeit, insbesondere der
Verlustleistung und der Abkühlzeitkonstanten,
korrigiert. Wie allgemein bekannt, beträgt die Verlustleistung eines
Ohmschen Widerstands U2/R.
Weiterhin
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den ermittelten Wert für den Temperaturanstieg
im Hinblick auf die Umgebungstemperatur zu korrigieren. Der Ohmsche
Widerstand ändert
sich je nach verwendetem Material für den Elektromagneten erheblich,
so dass dessen Änderung
bei der Bestimmung der Temperatur und der Verlustleistung berücksichtigt
werden muss.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird aus der zweiten Kennlinie für
die Abkühlphase
ein Abkühlfaktor
bestimmt, der mit der Temperaturdifferenz zwischen Anfangs- und
Umgebungstemperatur multipliziert wird, wobei die aktuelle Temperatur des
Elektromagneten sich durch Addition der Umgebungstemperatur ergibt.
Es
zeigt:
1 ein Flussdiagramm zur
Berechnung des Ventilschaltverhaltens bei einer Bestromung des Ventilmagneten,
2 ein Flussdiagramm zur
Berechnung des Ventilschaltverhaltens während einer Abkühlung des Magneten,
3 den theoretischen Temperaturverlauf
bei einer Bestromung des Magneten,
4 den normierten Temperaturverlauf
aus 3,
5 einen Korrekturfaktor
KorrA abhängig von der Umgebungstemperatur,
6 einen Korrekturfaktor
KorrB abhängig von der Betriebsspannung,
7 einen Korrekturfaktor
KorrC abhängig von der Betriebsspannung,
8 eine Abflachung der Erwärmungskurve
aufgrund des Korrekturfaktors aus 7,
9 der theoretische Temperaturverlauf
bei einer Abkühlung,
10 Temperaturverlauf bei
einer durch eine Abkühlungsphase
unterbrochenen Erwärmung.
Bei
Kraftfahrzeugen ist der Einsatz von Elektromagneten, beispielsweise
zur Ausführung
von Elektromagnetventilen, hinlänglich
bekannt. Wird der Elektromagnet bestromt, entweder in Form einer
Dauerbestromung oder durch ein getaktetes Signal (PWM = Pulsweitenmodulation),
so treten in Folge des Ohmschen Widerstands insbesondere an der
Spule elektrische Verluste auf, die zu einer mehr oder weniger hohen
Eigenerwärmung
des Bauteils führen.
Durch diese Erwärmung ändert sich
auch der Widerstand der Spule und damit das zeitliche Schaltverhalten
des Magneten. Diese Veränderung
muss insbesondere bezüglich
der Beherrschung von zeitkritischen oder regelungstechnischen Vorgängen Rechnung
getragen werden. Der Widerstand einer Kupferspule beispielsweise
steigt ausgehend von einer Raumtemperatur von 20°C bei einer Erwärmung auf
120°C um über 30%.
Das Schaltverhalten, hier die Schaltzeit des Elektromagnetventils
gängiger
Bauart, kann sich hierbei mehr als verdoppeln. Mit der gängigen Bauart
für ein
Elektromagnetventil wird der Aufbau bezeichnet, bei dem die Spule
bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugt, welches einen Anker linear
gegen eine Federkraft bewegt. Eine Verdopplung der Schaltzeit führt zu Abweichungen,
die nicht tolerierbar sind. Wird beispielsweise bei einer Ventilhubumschaltung
eines 4-Zylindermotors
das Schaltventil eingesetzt, so stehen für den Schaltvorgang bei 4000
U/min ungefähr
7,5 ms für
den gesamten Schaltvorgang zur Verfügung. Verdoppelt sich die Schaltzeit
von beispielsweise 4 ms auf 8 ms, so ist die Funktionsweise nicht
länger
gewährleistet.
Von
daher ist es unbedingt erforderlich, die aktuelle Spulentemperatur
und den Wert für
den Ohmschen Widerstand zur Bestimmung des aktuellen Schaltverhaltens
genau zu kennen.
1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren
zur Berechnung des aktuellen Ventilschaltverhaltens abhängig von
der aktuellen Spulentemperatur in einer Aufwärmphase. In einem ersten Verfahrensschritt 10 wird die
Bestromungsdauer des Magneten ermittelt. Aus der ermittelten Bestromungsdauer
des Magneten wird eine normierte Aufheizzeit bestimmt. Hierzu wird
die Aufheizzeitdauer durch eine entsprechende Abkühlzeitkonstante
(τ) dividiert.
Die Abkühlzeitkonstante
wird jeweils speziell zu dem Bauteil oder dem Typ von Bauteil prüftechnisch
ermittelt.
In
einem nachfolgenden Schritt 12 erfolgt eine Korrektur (KorrC) der Werte für den Fall, dass die Betriebsspannung
nicht einen vorgesehenen Wert besitzt, hier beispielsweise die Betriebsspannung
von 13,5 V. Eine Abweichung in der Betriebsspannung führt zu einer
korrigierten Aufheizzeit. Entspricht die Betriebsspannung dem vorgesehenen
Wert, so wird der Korrekturfaktor auf 1 gesetzt.
In
dem nachfolgenden Verfahrensschritt 16 wird eine Temperaturkorrektur
(KorrA) für die Kennlinie berechnet,
falls die Umgebungstemperatur nicht eine vorbestimmte Referenztemperatur,
beispielsweise 20°C besitzt.
Die Temperaturkorrektur ist im wesentlichen linear mit der Umgebungstemperatur
und nimmt mit dieser linear ab, wobei für die Referenztemperatur der
Korrekturfaktor den Wert 1 besitzt.
In
einem nachfolgenden Schritt 18 wird eine Spannungskorrektur
(KorrB) 18 berechnet für den Fall, dass
die Betriebsspannung nicht einer vorbestimmten Referenzspannung,
hier beispielsweise 13,5 V, entspricht. Da der Leistungsverbrauch
proportional zum Spannungsquadrat ist, verläuft der Korrekturfaktor nicht linear.
Der Korrekturfaktor steigt mit der Betriebsspannung an und besitzt
für die
Referenzspannung den Wert 1.
Zu
diesem derart aus der Kennlinie ermittelten Temperaturwert wird
die Ausgangstemperatur des Elektromagneten hinzuaddiert, um den
Wert für
die aktuelle Spulentemperatur zu erhalten (Schritt 20).
Über den
bekannten Zusammenhang zwischen Ohmschen Widerstand und Temperatur
wird in Schritt 22 nachfolgend der Spulenwiderstand berechnet.
Aus dem ermittelten Wert für
den Spulenwiderstand kann auf das Ventilschaltverhalten zurückgerechnet werden
(Schritt 24) und dieses bei der entsprechenden Steuerung
zusammengefasst werden.
Das
Verfahren aus
1 kann
durch folgende Formel zusammengefasst werden:
wobei ϑ die aktuelle
Temperatur des Elektromagneten beschreibt, ϑ
U die
Starttemperatur, U die Spannung während der Bestromung, R den
Ohmschen Widerstand, C den Wärmeübergangswiderstand
des Bauteils, t die Zeitdauer der Bestromung, τ die Abkühlzeitkonstante, wobei der
Korrekturterm Korr
C abhängig von der Betriebsspannung
ist, Korr
A abhängig von der Umgebungstemperatur
und Korr
B abhängig von der Betriebsspannung
ist.
Die
Berechnung der aktuellen Temperatur beim Abkühlen wird mit Bezug auf das
Flussdiagramm in 2 näher beschrieben.
In Schritt 26 wird aus der Abkühldauer des Magneten eine normierte
Abkühlzeit durch
Division mit der Abkühlzeitkonstanten
bestimmt. Die bei der Abkühlung
angenommene Zeitkonstante ist dabei identisch mit der beim Erwärmen angenommenen
Zeitkonstanten. Mit Hilfe der normierten Abkühlzeit wird in Schritt 28 ein
Abkühlfaktor
bestimmt. Der Abkühlfaktor
ergibt sich zu: exp (–t/τ), wobei
t/τ die
normierte Abkühlzeit
ist. Der Abkühlfaktor
wird mit der Differenz aus Starttemperatur und Umgebungstemperatur
multipliziert (Schritt 30). In Schritt 32 wird
zu dem so ermittelten Temperaturwert der Wert der Umgebungstemperatur hinzuaddiert,
um zu der aktuellen Spulentemperatur zu gelangen. Nachfolgend wird
aus der bekannten Spulentemperatur in Schritt 34 der Ohmsche
Widerstand der Spule berechnet. Über
den Ohmschen Widerstand kann in Schritt 36 das Ventilschaltverhalten
berechnet und bei der Regelung berücksichtigt werden.
Die
Berechnung der Abkühlungstemperatur
lässt sich
durch folgende Formel zusammenfassen:
wobei ϑ die Temperatur
des Elektromagneten, ϑ
U die Umgebungstemperatur, Δϑ die
Temperaturdifferenz zwischen Starttemperatur und Umgebungstemperatur
ist und τ die
Abkühlzeitkonstante
bezeichnet.
Der
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zugrundeliegende Ablauf wird nachfolgend anhand den 3 bis 10 näher erläutert.
3 zeigt den theoretischen
Verlauf einer Erwärmung,
die ausgehend von einer Ausgangstemperatur proportional zu der Verlustleistung
PV = U2/R ist. Die
zugeführte
Verlustleistung wird mit einem Wärmeübergangswiderstand
multipliziert. Der Wärmeüberganswiderstand
ist bauteilspezifisch und wird über
Versuchsreihen erfasst. Der zeitliche Verlauf ergibt sich über eine
abfallende Exponentialkurve, die sich asymptotisch der 1 nähert. Die
Geschwindigkeit der Erwärmung
wird hierbei durch die Abkühl-
bzw. Aufheizzeitkonstante τ gesetzt.
Auch hierbei handelt es sich um eine bauteilspezifische Konstante,
die messtechnisch erfasst werden muss. Es wird angenommen, dass
die Konstante sowohl beim Aufheizen als auch beim Abkühlen den
gleichen Wert besitzt. Der Wert kann durchaus auch von der Einbauposition
abhängen,
allerdings wird diese Abhängigkeit
bevorzugt durch den Korrekturterm KorrC erfasst.
In 4 ist die abgespeicherte
Kennlinie als Urtyp dargestellt. Die Werte für Temperatur und Zeit sind hierbei
so definiert, dass die Kennlinie aus 3 nur
in dem Bereich (0, 1)X(0, 1) definiert ist.
5 zeigt die Berechnung des
Korrekturfaktors KorrA abhängig von
der Umgebungstemperatur. Wie 5 zu
entnehmen ist, wird dieser Korrekturwert für eine Referenztemperatur auf
1 gesetzt und nimmt mit zunehmender Umgebungstemperatur linear ab.
6 zeigt die Berechnung des
entsprechenden Korrekturfaktors KorrB abhängig von
der Betriebsspannung. Da bei der Bestimmung der Verlustleistung
mit einem konstanten Betriebsspannungswert gearbeitet wird, muss
dieser korrigiert werden.
7 zeigt die Berechnung des
Korrekturfaktors KorrC abhängig von
der Betriebsspannung. Der Korrekturfaktor berücksichtigt, dass auch die Abkühlzeitkonstante
sich mit den Temperaturwerten ändern
kann. Wie in 8 dargestellt,
führt ein
Korrekturwert größer als
1 zu einer Verlangsamung der Erwärmung.
9 zeigt den Verlauf der
Abkühlung
des Elektromagneten abhängig
von der Zeit. Da es sich hierbei um einen rein thermodynamischen
Vorgang ohne externe Leistungszufuhr handelt, sind hierfür keine
Korrekturterme erforderlich.
10 zeigt beispielhaft den
Verlauf von einem Aufheizprozess, der durch eine Abkühlung unterbrochen
ist. Ausgehend von der Temperatur ϑU zum
Zeitpunkt t0 steigt die Temperatur im Abschnitt
A an, bis er zum Zeitpunkt t1 der Wert ϑ1 erreicht ist. Im Zeitpunkt t1 die
Betriebsspannung abgeschaltet, so kühlt der Elektromagnet im Bereich
B wieder ab. Hierbei folgt er ausgehend von dem Wert ϑ1 als Anfangstemperatur dem in 9 skizzierten Verlauf, bis
der Wert ϑ2 im Zeitpunkt t2 erreicht ist.
Bei
dem in 10 dargestellten
Verlauf wird im Zeitpunkt t2 erneut die
Betriebsspannung eingeschaltet. Von hier aus beginnend steigt im
Abschnitt C die Temperatur ausgehend von dem Wert t2 an.
In dem in 10 dargestellten
Ausführungsbeispiel
wird ausgehend zu dem Temperaturwert ϑ2 zum
Zeitpunkt t2 eine Verschiebung T_OFFSET
berechnet. Die Zeitver schiebung legt den Ausgangspunkt der für die Erwärmung im Abschnitt
C zu betrachtenden Kennlinie wieder auf die Umgebungstemperatur ϑU. Hierzu wird angenommen, dass diese Temperatur
zu einem Zeitpunkt (t2-T_OFFSET) vorlag.
Bei dem in 10 dargestellten
Beispiel wird also die Kennlinie für die Erwärmung des Elektromagneten stets
ausgehend von der Umgebungstemperatur betrachtet.
