DE4407051C2

DE4407051C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer elektronischen Endstufe in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE4407051C2
Application number: DE19944407051
Authority: DE
Inventors: Eugen Joos; Harald Dipl Ing Reiber; Hans Dipl Ing Dr Rossmanith
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-03-03
Filing date: 1994-03-03
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2014-03-04
Also published as: DE4407051A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer elektronischen Endstufe in einem Kraftfahrzeug.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer elek tronischen Endstufe ist beispielsweise aus der DE 37 43 453 A1 bekannt. Dort wird die in der elektronischen Endstufe umge setzte Leistung durch Takten der elektronischen Endstufe mit vorgebbaren Einschalt- und Ausschaltzeiten gesteuert. Bei dem dort beschriebenen Verfahren verhindert eine sofort wirksam werdende Strombegrenzung die Zerstörung des Verstär kungselements bei Kurzschluß. Bei länger dauernder Über lastung wird das Halbleiterverstärkerelement nach einer Ver zögerungszeit abgeschaltet. Nach einer weiteren Verzöge rungszeit der Abschaltzeit wird das Halbleiterelement erneut eingeschaltet. Dauert die Überlast an, so erfolgt eine er neute Ab- und Einschaltung, die sich periodisch wiederholt. Die Schaltung ist so aufgebaut, daß die Einschaltzeit der Stärke des Kurzschlußstromes umgekehrt proportional ist.

Bei der Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers über eine elek tronische Endstufe kann der Fall auftreten, daß der Verbraucher beim Einschalten einen sehr viel kleineren elektrischen Widerstand be sitzt als im Dauerbetrieb. Dies hat zur Folge, daß unmittelbar nach dem Einschalten des Verbrauchers ein sehr hoher Strom fließt und somit sowohl im Verbraucher als auch in der Endstufe eine sehr hohe Leistung umgesetzt wird, das heißt die Endstufe wird sehr stark be lastet (siehe Fig. 4). Um die Endstufe vor Zerstörung zu schützen, werden die Komponenten der Endstufe in der Regel im Hinblick auf diese hohe Anfangslast ausgelegt. Das hat zur Folge, daß die Endstu fe im Dauerbetrieb überdimensioniert ist.

Der Anstieg des Widerstands des Verbrauchers nach dem Einschalten wird in der Regel durch die Temperaturabhängigkeit des Widerstands hervorgerufen, genauer gesagt dadurch, daß der Widerstand einen po sitiven Temperaturkoeffizienten (positive temperature coefficient = PTC) besitzt. Beim Einschalten ist die Temperatur des Verbrauchers niedrig und folglich besitzt er einen niedrigen Widerstand. Durch den Stromfluß erwärmt sich der Verbraucher, der Widerstand nimmt zu und der Stromfluß nimmt ab.

Aus der US 4,611,562 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz eines Verbrauchers mit PTC-Verhalten bekannt. Bei dem Ver braucher handelt es sich um eine elektrische Heizung eines Sauer stoffsensors im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine. Beim bekannten Verfahren wird die der Heizung zugeführte Leistung auf einen vorge gebenen Wert begrenzt. Die Begrenzung wird entweder durch Steuerung eines kontinuierlichen Stroms durch die Heizung oder durch Takten der Versorgungsspannung der Heizung und Steuern des Taktverhältnis ses realisiert. Auf einen Schutz der Endstufe stellt diese Schrift nicht ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Endstu fe in einem Kraftfahrzeug vor Überlastung zu schützen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie einen optimalen Schutz einer elektronischen Endstufe in einem Kraftfahrzeug vor Überlastung bie tet. Die Erfindung begrenzt die Leistung der Endstufe durch Takten, wobei die Einschalt- und Ausschaltzeiten so aufeinander abgestimmt sind, daß die maximal zulässige Impulsverlustleistung und die maxi mal zulässige mittlere Dauerverlustleistung wenigstens einer Kompo nente der Endstufe nicht überschritten werden. Dadurch wird es er möglicht, daß - verglichen mit herkömmlichen Endstufen - Komponenten mit kleineren Bauformen eingesetzt werden können. Dies führt zu ei ner Reduzierung der Kosten für die Komponenten der Endstufe. Eine zusätzliche Kostenreduzierung ergibt sich dadurch, daß die kleineren Bauformen maschinell bestückt werden können, daß Platz auf der Lei terplatte eingespart wird und daß dünnere Leiterbahnen verwendet werden können. Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, daß ggf. ein Shunt-Widerstand mit einem höheren Widerstandswert eingesetzt werden kann, was zu einer höheren Stromerfassungsgenauigkeit führt.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die Ausschalt- und/oder Einschalt zeiten der Endstufe abhängig vom aktuellen Strom durch die Endstufe ermittelt werden. Dadurch kann die Endstufe bis an die Belastungs grenze betrieben werden, ohne daß die Gefahr einer Zerstörung be steht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine elektronische Endstufe in einem Kraftfahrzeug gemäß den Betriebsbedingungen beim Dauerbetrieb dimenisoniert und es wird Vorsorge getroffen, daß die Leistung beim Einschalten die zulässigen Werte nicht überschreitet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung des technischen Um felds der Erfindung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für die interne Beschaltung der End stufe,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die interne Beschaltung der Endstufe,

Fig. 4 den typischen Stromverlauf durch einen elektrischen Verbrau cher mit PTC-Verhalten aufgetragen über die Zeit,

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des bei der Erfindung eingesetzten getakteten Signals bei einem ersten Ausführungsbeispiel und

Fig. 6 den zeitlichen Verlauf des bei der Erfindung eingesetzten getakteten Signals bei einem weiteren Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 gibt ein Steuergerät 100 über eine Verbindungsleitung Steuersignale an einen Eingang A einer Endstufe 102 ab. An einem Ausgang B gibt die Endstufe 102 ein Signal für den aktuellen Strom fluß durch die Endstufe 102 aus. Der Ausgang B ist mit einem Eingang des Steuergeräts 100 verbunden. Die Endstufe 102 ist Bestandteil eines geschlossenen Stromkreises, der von einer Spannungsquelle 104 gespeist wird und der weiterhin einen elektrischen Verbraucher 106 enthält. Im einzelnen ist der Stromkreis folgendermaßen beschaltet: Ein erster Pol der Spannungsquelle 104 ist mit einem ersten Anschluß des Verbrauchers 106 verbunden. Der zweite Anschluß des Verbrauchers 106 ist mit einem Kontakt C der Endstufe 102 verbunden. Über eine Verbindungsleitung zwischen einem Kontakt D der Endstufe 102 und einem zweiten Pol der Spannungsquelle 104 wird der Stromkreis ge schlossen. Die Endstufe 102 regelt oder steuert den Strom, der durch den Verbraucher 106 fließt. Dabei wird die Endstufe ihrerseits vom Steuergerät 100 angesteuert. In einem einfachen Ausführungsbeispiel dient die Endstufe 102 als Schalter, das heißt mit der Endstufe 102 wird der Verbraucher 106 eingeschaltet bzw. ausgeschaltet. Beispiele für die innere Beschaltung der Endstufe 102 sind in Fig. 2 und 3 dargestellt.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel für die interne Be schaltung der Endstufe 102 besteht aus einem Transistor 200 und ei nem Widerstand 202. Der Kollektor des Transistors 200 ist mit dem Kontakt C der Endstufe 102 verbunden. Die Basis des Transistors 200 steht in Verbindung zum Eingang A der Endstufe 102. Der Emitter des Transistors 200 ist sowohl mit dem Ausgang B der Endstufe 102 als auch mit einem ersten Anschluß des Widerstands 202 verbunden, wobei der zweite Anschluß des Widerstands 202 in Verbindung mit dem Kon takt D der Endstufe 102 steht. Je nach Signal am Eingang A der End stufe 102 geht der Transistor 200 in den leitenden oder nicht lei tenden Zustand über, so daß der Verbraucher 106 aus Fig. 1 einge schaltet bzw. ausgeschaltet wird. Gegebenenfalls können auch Zwi schenstufen vorgesehen sein, das heißt der Transistor 200 kann auch teilweise leitend sein. Der Widerstand 202 dient der Strommessung (Shunt-Widerstand). Dabei erfolgt die Ermittlung des Stroms aus dem Spannungsabfall am Widerstand 202, der am Ausgang B der Endstufe 102 relativ zum Bezugspotential am Kontakt D abgegriffen werden kann, und dem bekannten Wert des Widerstands 202. Die Strommessung wird beispielsweise für Diagnosezwecke benötigt (zu hoher Strom = Kurz schluß, zu niedriger Strom = Unterbrechung usw.) oder ggf. auch als Istwert, wenn der Strom geregelt werden soll. Der Widerstand 202 kann entweder als diskretes Bauelement ausgeführt sein oder zusammen mit dem Transistor 200 als integrierter Schaltkreis verwirklicht sein.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die interne Be schaltung der Endstufe 102. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Endstufe 102 durch einen Feldeffekttransistor 300 realisiert. Die Anschlüsse Gate, Drain und Source des Feldeffekttransistors 300 sind folgendermaßen mit den Kontakten C und D, dem Eingang A und dem Aus gang B der Endstufe 102 verschaltet: Drain ist mit dem Kontakt C und dem Ausgang B verbunden, Gate mit dem Eingang A und Source mit dem Kontakt D. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein separater Wider stand zur Stromerfassung entfallen und statt dessen der Drain-Source-Widerstand des Feldeffekttransistors 300 verwendet werden.

In Fig. 4 ist der typische zeitliche Verlauf des Stroms I durch einen elektrischen Verbraucher 106 mit PTC-Verhalten und somit auch durch die zum Verbraucher 106 in Serie geschaltete Endstufe 102 dar gestellt. Zur Zeit t = 0 wird die Endstufe 102 vom nichtleitenden in den leitenden Zustand umgeschaltet. Wegen des PTC-Verhaltens des Verbrauchers 106 fließt ab sofort ein hoher Strom I der mit der Zeit t infolge der Aufheizung des Verbrauchers 106 und des dadurch stei genden Widerstandes abnimmt und schließlich annähernd konstant wird. Aus Fig. 4 wird deutlich, daß in der Anfangszeit ein wesentlich höherer Strom fließt als für den Dauerbetrieb des Verbrauchers 106 benötigt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Komponenten der Endstufe 102 für den im Dauerbetrieb fließenden Strom ausgelegt. Um eine Zerstörung der Endstufe 102 durch den hohen Anfangsstrom zu verhindern, ist bei der Erfindung die Möglichkeit vorgesehen, den Strom I beim Einschalten zu takten.

In Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf (Zeit = t) des bei der Erfin dung eingesetzten getakteten Stroms I für die Anfangsphase nach dem Einschalten des Verbrauchers 106 dargestellt. Während der Zeit tEin wird die Endstufe 102 so angesteuert, daß sie elektrisch leitend ist und somit ein Stromfluß zustande kommt. Während der Zeit tAus sperrt die Endstufe 102 und es kommt kein Stromfluß zustande.

In dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zeit tEin fest vorgebbar. Bei der Vorgabe der Zeit tEin werden ein maxi maler Vorgabewert für den Strom und die maximal zulässige Impulsver lustleistung der Komponente der Endstufe 102 berücksichtigt, die durch das erfindungsgemäße Verfahren geschützt werden soll. Nach Ablauf der Zeit tEin wird die Endstufe 102 in den nicht leitenden Zustand gesteuert, so daß kein Strom mehr fließt. Der nichtleitende Zustand wird solange beibehalten, bis die Zeit tAus verstrichen ist. Die Zeit tAus wird aus dem während der Zeit tEin fließenden Strom I und der maximal zulässigen Dauerverlustleistung der zu schützenden Komponente ermittelt. Die Ermittlung kann durch Berechnung oder durch Auslesen aus einer Tabelle erfolgen. Nach Ablauf der Zeit tAus wird die Endstufe wieder in den leitenden Zustand gesteuert und der Strom 1 wird erneut gemessen. Ausgehend von dem neu ermittelten Strom I wird die Zeit tAus erneut ermittelt usw. Da der Widerstand des elektrischen Verbrauchers 106 nach dem Einschalten allmählich zunimmt und somit der Strom I abnimmt, wird die Zeit tAus immer kleiner bis schließlich ein Dauerstrom fließt.

In Fig. 6 ist das gleiche Signal wie in Fig. 5 für ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel werden sowohl tEin als auch tAus fortlaufend aktualisiert. Dazu wird die Endstufe 102 zunächst in den leitenden Zustand versetzt und der Strom I gemessen. Aus dem Strom I und der maximal zulässigen Impulsverlustleistung wird die Zeit tEin ermit telt. Dies kann durch Berechnen oder durch Auslesen aus einer Tabel le erfolgen. Nach Ablauf der Zeit tEin wird die Endstufe 102 in den nichtleitenden Zustand gesteuert, so daß kein Strom mehr fließt. Es wird die Zeit tAus aus dem zuvor ermittelten Strom 1 und der maximal zulässigen Dauerverlustleistung ermittelt. Nach Ablauf der Zeit tAus wird die Endstufe wieder in den leitenden Zustand gesteuert und der Strom I wird erneut gemessen. Ausgehend von dem neu ermittelten Strom I werden wiederum die Zeiten tEin und tAus ermittelt usw. Da der Widerstand des elektrischen Verbrauchers 106 nach dem Einschal ten allmählich zunimmt und somit der Strom I abnimmt, wird die Zeit tEin immer größer und die Zeit tAus immer kleiner bis schließlich ein Dauerstrom fließt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl zum Schutz des Transi stors 200 als auch des Widerstands 202 eingesetzt werden. Weiterhin kann damit auch der Feldeffekttransistor 300 geschützt werden. Auch bei andersartig aufgebauten Endstufen als in den Fig. 2 und 3 dargestellt kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden. Wichtig ist dabei, daß die für die Ermittlung der Zeiten tEin bzw. tAus verwendeten Werte für die maximal zulässige Impulsverlustlei stung bzw. die maximal zulässige Dauerverlustleistung abhängig von der Komponente der Endstufe 102 ermittelt werden, die durch das er findungsgemäße Verfahren geschützt werden soll.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird die gesamte Endstufe 102 geschützt, indem die Werte für die maximal zulässige Impulsver lustleistung und die maximal zulässige Dauerverlustleistung der Kom ponente der Endstufe 102 ausgewählt werden, deren Belastbarkeit als erste überschritten würde.

In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird das erfin dungsgemäße Verfahren zum Schutz der Endstufe mit einem Diagnosever fahren kombiniert, da beide Verfahren den durch die Endstufe flie ßenden Strom als Eingangsgröße benötigen. Das Diagnoseverfahren ver gleicht den Strom I mit vorgebbaren Schwellwerten und erkennt bei spielsweise einen Kurzschluß bei Überschreiten eines ersten Schwell werts und eine Unterbrechung bei Unterschreiten eines zweiten Schwellwerts.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer elektronischen Endstufe (102) in einem Kraftfahrzeug, wobei die in der elektronischen Endstufe (102) umgesetzte Leistung durch Tak ten der elektronischen Endstufe (102) mit vorgebbaren Ein schalt- und Ausschaltzeiten steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschalt- und Ausschaltzeiten so aufeinander abgestimmt sind, daß eine maximal zulässige Impulsverlustleistung und eine maximal zulässige Dauerverlustleistung wenigstens einer Komponente der elektronischen Endstufe (102) nicht überschritten werden, wobei die Einschaltzeit (tEin) abhängig von der maximal zulässigen Impulsverlustleistung und einem maximalen Vorgabewert für den Strom (I) vorgebbar ist und die Ausschaltzeit (tAus) abhängig von der maximal zulässigen Dauerverlustleistung und dem während der Einschaltzeit (tEin) freigegebenen Strom (I) ermittelt wird.

2. Verfahren zur Steuerung einer elektronischen Endstufe (102) in einem Kraftfahrzeug, wobei die in der elektronischen Endstufe (102) umgesetzte Leistung durch Tak ten der elektronischen Endstufe (102) mit vorgebbaren Ein schalt- und Ausschaltzeiten steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschalt- und Ausschaltzeiten so aufeinander abgestimmt sind, daß eine maximal zulässige Impulsverlustleistung und eine maximal zulässige Dauerverlustleistung wenigstens einer Komponente der elektronischen Endstufe (102) nicht überschritten werden, wobei die Einschaltzeit (tEin) abhängig von der maximal zulässigen Impulsverlustleistung und einem während der Einschaltzeit (tEin) freigegebenen Strom (I) ermittelt wird und die Ausschaltzeit (tAus) abhängig von der maximal zulässigen Dauerverlustleistung und dem während der Einschaltzeit (tEin) freigegebenen Strom (I) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximal zulässige Impulsverlustleistung und die maximal zulässige Dauerverlustleistung der Komponente der Endstufe, nicht überschritten werden, deren Belastbarkeit als erste überschritten würde.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die maximal zulässige Impulsverlustleistung und die maximal zulässige Dauerverlustleistung eines Endstufentransistors (200, 300) nicht überschritten werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die maximal zulässige Impulsverlustleistung und die maximal zulässige Dauerverlustleistung eines Shunt-Widerstands (202) der Endstufe nicht überschritten werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionierung der elektronischen Endstufe (102) nach dem nach einiger Zeit erreichten Dauerstrom erfolgt.

7. Vorrichtung zur Steuerung einer elektronischen Endstufe (102) in einem Kraftfahrzeug, wobei die in der elektronischen Endstufe (102) umgesetzte Leistung durch Tak ten der elektronischen Endstufe (102) mit vorgebbaren Ein schalt- und Ausschaltzeiten steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die die Ein schalt- und Ausschaltzeiten so aufeinander abstimmen, daß eine maximal zulässige Impulsverlustleistung und eine maximal zulässige Dauerverlustleistung wenigstens einer Komponente der elektronischen Endstufe (102) nicht über schritten werden, wobei die Einschaltzeit (tEin) abhängig von der maximal zulässigen Impulsverlustleistung und einem maximalen Vorgabewert für den Strom (I) vorgebbar ist und die Ausschaltzeit (tAus) abhängig von der maximal zulässigen Dauerverlustleistung und dem während der Einschaltzeit (tEin) freigegebenen Strom (I) ermittelt wird.

8. Vorrichtung zur Steuerung einer elektronischen Endstufe (102) in einem Kraftfahrzeug, wobei die in der elektronischen Endstufe (102) umgesetzte Leistung durch Tak ten der elektronischen Endstufe (102) mit vorgebbaren Ein schalt- und Ausschaltzeiten steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die die Ein schalt- und Ausschaltzeiten so aufeinander abstimmen, daß eine maximal zulässige Impulsverlustleistung und eine maximal zulässige Dauerverlustleistung wenigstens einer Komponente der elektronischen Endstufe (102) nicht über schritten werden, wobei die Einschaltzeit (tEin) abhängig von der maximal zulässigen Impulsverlustleistung und einem während der Einschaltzeit (tEin) freigegebenen Strom (I) ermittelt wird und die Ausschaltzeit (tAus) abhängig von der maximal zulässigen Dauerverlustleistung und dem während der Einschaltzeit (tEin) freigegebenen Strom (I) ermittelt wird.