DE4127577A1 - System zur erzeugung einer hochspannung aus einem kraftfahrzeugbordnetz - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung einer Hochspannung aus einem Kraftfahrzeugbordnetz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches System zur Erzeugung einer Hochspannung aus einem Kraft­ fahrzeugbordnetz ist aus der DE-OS 35 31 025 (US-A 48 16 979) be­ kannt. Dort wird eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Hochspan­ nungsversorgung eines elektrostatischen Rußabscheiders beschrieben. Bei der dortigen Einrichtung wird ausgehend von verschiedenen Be­ triebsparametern der Brennkraftmaschine und dem Betriebszustand des Rußabscheiders ein Sollwert für den den Rußabscheider durchfließen­ den Strom vorgegeben. Dieser wird von einem Regler auf ein vorgege­ benen Wert eingeregelt. Gleichzeitig wird die am Rußabscheider an­ liegende Spannung erfaßt und mit einer maximal zulässigen Spannung verglichen. Ausgehend von diesem Vergleich wird ebenfalls ein An­ steuersignal für die Endstufe bestimmt. Dieses Signal dient ledig­ lich zur Begrenzung der Ausgangsspannung des Rußabscheiders.

Bei dieser Einrichtung treten in bestimmten Betriebszuständen Insta­ bilitäten auf. Insbesondere dann, wenn sich im Rußabscheider größere Rußmengen angesammelt haben, und diese durch Freibrennen beseitigt werden müssen, besitzt der Rußabscheider einen sehr kleinen Wider­ stand. Der kleine Widerstand des Rußabscheiders hat zur Folge, daß die vorgegebene Spannung nicht erreicht wird. Dies führt bei den be­ kannten Systemen zu Instabilitäten im Regelkreis. In anderen Be­ triebszuständen treten große Regelabweichungen auf. Diese Regel­ abweichungen verursachen ebenfalls Instabilitäten im Regelkreis, was wiederum zu Schwingungen in der Spannung führt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Erzeugung einer Hochspannung aus einem Kraftfahrzeugbordnetz der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, das in allen Betriebszuständen stabil ar­ beitet. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist gegenüber dem Stand der Technik ein wesentlich verbessertes Regelverhalten auf. Dieses verbesserte Regelverhalten wird dadurch erzielt, daß ein übergeordneter Span­ nungsregler, der die am Rußabscheider anliegende Spannung mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht, einen Stromsollwert für einen Stromregler vorgibt. Dieser Stromregler stellt dann den vorgegebenen Stromsollwert ein. Eine besonders kostengünstige Lösung ergibt sich, wenn mehrere billige Stromregler mit kleiner Leistung parallel ge­ schaltet werden.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Eine wesentliche Verbesserung des Regelverhaltens ergibt sich durch eine Überwachungseinheit, die bei einer bleibenden Regelabweichung einen Ersatzsollwert vorgibt der stetig abnimmt. Weitere vorteil­ hafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsform erläutert. Es zeigen die Fig. 1 ein Block­ diagramm des erfindungsgemäßen Systems, Fig. 2 ein Flußdiagramm und Fig. 3 ein Zeitdiagramm zur Verdeutlichung der Funktionsweise.

In Fig. 1 ist ein Rußabscheider mit 100 bezeichnet. Dieser wird mit einem Strom I, dem Ausgangssignal eines Summationspunktes 5 beauf­ schlagt. Der Summationspunkt 5 addiert Einzelströme I1, I2 und I3 auf. Bei den Einzelströmen I1, I2 und I3 handelt es sich um Aus­ gangssignale von Hochspannungserzeugungseinheiten 10, 20 und 30, die im folgenden auch als Stromregler bezeichnet werden.

Ein Steuergerät 40, auch als Spannungsregler bezeichnet, liefert ei­ nen Sollwert IS, der über einen Schalter 35 zu Additionspunkten 18, 28 und 38 gelangt. An dem zweiten Eingang dieser Additionspunkte liegt jeweils ein Ausgangssignal eines Sensors 14, 24 und 34, der das Ausgangssignal der jeweiligen Hochspannungserzeugungseinheit 10, 20 und 30 erfaßt. Das Ausgangssignal der Additionspunktes 18, 28 und 38 gelangt zum Eingang der zugeordneten Hochspannungserzeugungsein­ heit 10, 20 und 30.

Die Ausgangssignale der Additionspunkte 18, 28, 38, die die Regel­ abweichung der einzelnen Stromregelkreise darstellen, gelangen fer­ ner zu einer Überwachungseinheit 60. Die Überwachungseinheit 60 be­ tätigt abhängig von diesen Signalen den Schalter 35 und stellt gleichzeitig ein Ersatzsignal zur Verfügung. Dieses Ersatzsignal ge­ langt zum zweiten Kontakt des Schalters 35.

Der Spannungsregler 40 erzeugt ausgehend von dem Ausgangssignal ei­ nes Additionspunktes 45 den Sollwert IS für die Stromregler 10, 20 und 30. Der Additionspunkt 45 vergleicht ein Signal US einer Soll­ wertberechnung 50 mit der tatsächlich gemessenen Ausgangsspannung U des Rußabscheiders 100.

Diese Einrichtung arbeitet nun wie folgt. Der Spannungsregler 40 gibt abhängig von dem Vergleich zwischen der gewünschten Spannung US und der am Rußabscheider gemessenen tatsächlichen Spannung U einen Sollwert IS für die einzelnen Stromregler 10, 20 und 30 vor. Dieser Sollwert wird von den Stromreglern 10, 20 und 30 eingeregelt. Der Strom durch den Rußabscheider, der die Hochspannung hervorruft, ist dabei die Summe der Einzelströme I1, I2 und I3.

Die Sollwertberechnung gibt den Sollwert US für die Spannung abhän­ gig von verschiedenen Betriebsbedingungen der nicht dargestellten Brennkraftmaschine und/oder des Rußabscheiders 100 vor. Diese Soll­ wertberechnung 50 enthält verschiedene Funktionen die in der DE-OS 35 31 025 näher beschrieben sind.

Im einfachsten Ausführungsbeispiel ist nur ein Stromregler vorge­ sehen. In diesem Fall ergibt sich ein Stromregler für den Strom I, der durch den Rußabscheider fließt, mit einem überlagerten Span­ nungsregler 40 für die am Rußabscheider anliegenden Spannung.

In Betriebszuständen in denen der Rußabscheider einen sehr kleinen Innenwiderstand besitzt gibt die Sollwertberechnung eine kleinen Sollwert für die Spannung vor. Der Spannungsregler dagegen gibt ei­ nen großen Sollwert IS für den einzustellenden Strom vor. Der Strom­ sollwert ist dabei größer, als der Stromsollwert der überwiegend eingestellt wird. Der Spannungssollwert ist dabei kleiner, als der Spannungssollwert der überwiegend eingestellt wird. Durch diese Vor­ gabe der Sollwerte wird erreicht, daß der Spannungsregler die vorge­ gebene Spannung eingeregeln kann. Durch den großen Strom wird gleichzeitig die für das schnelle Abbrennen des Rußes erforderliche Leistung erzielt.

Reicht die von einem Stromregler zur Verfügung gestellte elektrische Leistung für einen bestimmten Brennkraftmaschinentyp nicht aus, so kann die Einrichtung in einfacher Weise dahin modifiziert werden, daß mehrere Stromregler 10, 20 und 30, wie in Fig. 1 dargestellt, parallel geschaltet werden. Dies ist mit beliebig vielen parallel geschalteten Stromreglern möglich. Die Stromregler sind dabei alle gleich aufgebaut, es sind keine Master-Slave-Geräte notwendig.

Eine solche Parallelschaltung läßt sich besonders einfach mit der hier beschriebenen Struktur, einem Stromregler ist ein Spannungsreg­ ler überlagert, realisieren. Die von den Stromreglern aufzubringende elektrische Leistung, wird gleichmäßig auf die einzelnen Stromreg­ lern aufgeteilt, da jedem der gleiche Stromsollwert vorgegeben wird. Würden mehrere Spannungsregler parallel geschaltet, so kann der Fall eintreten, daß die Leistung sehr ungleich auf die einzelnen Regler aufgeteilt wird. Ferner sind in diesem Fall Vorwiderstände zwischen Regler und Rußweiche erforderlich. Diese Vorwiderstände besitzen den Nachteil, daß sie einen Teil der elektrischen Leistung aufnehmen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber solchen Einrichtungen den Vorteil, daß keine Vorwiderstände nötig sind, und somit die ge­ samte Leistung für den Rußabscheider zur Verfügung steht.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung stellt die Überwachungseinheit 60 dar. Zur Funktionsweise dieser Überwachungs­ einheit 60 sei auf die Fig. 2 verwiesen. Das Überwachungsunterpro­ gramm startet mit Schritt 200. In diesem Schritt wird die Regelab­ weichung, die Differenz zwischen Sollwert IS und tatsächlichem Strom I_n erfaßt.

In dem Block 210 erfolgt eine Überprüfung dahingehend, ob die Regel­ abweichung größer als eine Schwelle S ist. In Block 220 wird über­ prüft, ob eine Zeitbedingung erfüllt ist. Ist die Regelabweichung für eine vorgebene Zeit größer als eine Schwelle S, so liegt eine bleibende Regelabweichung vor. Die Abfrage auf eine bleibende Regel­ abweichung erfolgt gegebenenfalls für alle Stromregelungen 10, 20 und 30.

Sind die beiden Abfragen positiv, so wird im Schritt 230 ein Fehler­ signal F ausgegeben. Das Fehlersignal F bewirkt ein Abschaltung der überlagerten Spannungsregelung. In diesem Fall wird der Schalter 35 in seine gestrichelt eingezeichnete Position übergeführt, und die Überwachungseinheit 60 stellt einen Ersatzwert für den Stromsollwert IS zur Verfügung.

Die Bildung des Ersatzsollwerts für den Strom IS erfolgt wie folgt. Die Überwachungseinheit geht aus von dem alten Sollwert IS und senkt diesen dann fortlaufend ab. Der Sollwert IS fällt also ausgehend von seinem ursprünglichen Wert, der vor Erkennen der bleibenden Regel­ abweichung vorliegt, stetig ab. Dieser Abfall erfolgt vorzugsweise linear. Es sind aber auch andere Abnahmen, wie zum Beispiel gemäß einer Exponential- oder einer anderen Funktion vorteilhaft.

Im Block 240 ist ein linearer Abfall dargestellt. Der Sollwert wird in vorgegebenen Zeitabständen um einen bestimmten Wert D verklei­ nert. Anschließend wird wieder zur Abfrage 210 zurückgesprungen. Er­ kennt diese, daß weiterhin eine bleibende Regelabweichung vorliegt, so wird der Schritt 240 wiederholt. Dies erfolgt solange, bis die Abfrageeinheiten 210 und 220 erkennen, daß keine bleibende Regelab­ weichung mehr vorliegt. Ist dies der Fall, wird im Schritt 250 der überlagerte Spannungsregler wieder eingeschaltet. Dies bedeutet, der Schalter nimmt, die in Fig. 1 eingezeichnete, ursprüngliche Posi­ tion ein.

Diese Vorgehensweise läßt sich in digitaler oder analoger Technik realisieren. Bei einem analogen Ausführung läst sich die Reduzierung des Stromsollwerts durch einen Integrator, der den Stromsollwert mit einer vorgegebenen Zeitkonstante nach Null integriert, realisieren.

Mit dieser Vorgehensweise lassen sich instabile Zustände der Strom­ regelung, die auf einer zu großen Regeldifferenz beruhen, abfangen. Solche Zustände treten insbesondere beim Einschalten auf, wenn der Spannungsregler 40 schneller betriebsbereit ist, als der Stromreg­ ler. Ein ähnlicher Effekt tritt ein, wenn der Sollwert von der Soll­ wertberechnung plötzlich abgesenkt wird. Eine solche schnelle Absen­ kung erfolgt beispielsweise, wenn ein sogenannter Überspannungs­ schutz anspricht. Dieser Überspannungsschutz erkennt plötzliche Spannungsabfälle.

Instabile Betriebszuständen treten vorzugsweise dann auf, wenn der Sollwert bereits am Anschlag ist, während der Istwert noch klein ist. In diesem Fall kommt es zu Überschwingern in der Spannung U, die den Überspannungsschutz auslösen und die Hochspannung abschal­ ten. Ohne die beschriebene Vorgehensweise kann der Rußabscheider nicht in Betrieb genommen werden.

Zur Verdeutlichung der Vorgehensweise sei noch auf Fig. 3 verwie­ sen. In Fig. 3a ist die Regelabweichung, in Fig. 3b das Fehlersig­ nal F und in Fig. 3c der Stromsollwert über der Zeit aufgetragen. Zum Zeitpunkt T1 erkennt die Einrichtung, daß die Regelabweichung für eine vorgebene Zeit T eine bestimmte Schwelle S überschritten hat. Zum Zeitpunkt T1 liegt eine bleibende Regelabweichung vor. Das Fehlersignal F geht zum Zeitpunkt T1 von Null auf einen höheren Pe­ gel. Sobald das Fehlersignal einen höheren Pegel annimmt, wird der in Fig. 3b dargestellte Sollwert IS für den Strom zurückgenommen. Zum Zeitpunkt T2 erkennt die Überwachungseinheit 60, daß keine blei­ bende Regelabweichung mehr vorliegt. Ab diesem Zeitpunkt geht das Fehlersignal F auf Null zurück und der Spannungsregler 40 übernimmt wieder die Berechnung des Stromsollwerts.

Da zur Fehlererkennung die Regelabweichung ausgewertet wird, sind keine zusätzlichen Signalleitungen erforderlich. Mittels dieser Vor­ gehensweise können Schwingungen, die auf einer großen Regelabwei­ chung beruhen, vermieden werden.

Claims (6)

1. System zur Erzeugung einer Hochspannung aus einem Kraftfahrzeug­ bordnetz, insbesondere für einen elektrostatischen Rußabscheider (100), dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsregler (40) abhängig von dem Vergleich zwischen der gewünschten und der tatsächlich an dem Rußabscheider (100) anliegenden Spannung einen Sollwert (IS) für wenigstens einen Stromregler (10, 20 u. 30) vorgibt, der den Strom durch den Rußabscheider auf diesen Sollwert einregelt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Stromregler parallel geschaltet sind.

3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Überwachungseinheit (60) eine bleibendende Regel­ abweichung des Stromreglers erkennt, und bei einer erkannten blei­ benden Regelabweichung den Spannungsregler (40) abschaltet.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei abge­ schaltetem Spannungsregler der Sollwert für den Stromregler von der Überwachungseinheit vorgegeben wird.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert bei abgeschaltetem Spannungsregler über der Zeit abnimmt.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für den Stromregler solange abnimmt, bis die bleibende Regelabwei­ chung verschwindet.