JP2010523071A - 容量性部材の充電方法および充電装置 - Google Patents

Abstract

容量性部材を充電および／または放電するための方法および装置である。充電電流が所定の充電電流閾値を上回ると、充電電流を中断するように制御可能なスイッチを駆動制御する。容量性部材を所定の充電電圧に充電する間に、充電電流閾値を変える。制御可能なスイッチの先行する駆動制御後に所定の時間期間が経過する、および／または充電電流が所定の充電電流閾値を下回ると、充電電流を再度、容量性部材に入力するように制御可能なスイッチを駆動制御する。これと相応に放電過程も行われる。

Description

従来技術
本発明は、所定充電電圧へ容量性部材を充電する方法および装置に関する。ここで容量性部材には、充電電流が入力される。

多様な電子技術的使用領域において、容量性部材を駆動制御し、元来の駆動制御前に事前に充電しておくことが必要である。この容量性部材は、例えばコンデンサであるが、特別な容量を有するアクチュエータ（殊にピエゾアクチュエータ）であってもよい。例えば容量性アクチュエータ、例えばピエゾアクチュエータは弁部材として、自動車内の内燃機関用の噴射システム内で使用される。なぜならこれは正確に駆動制御可能であり、相応する燃焼室内で燃費の良い燃料噴射を可能にするからである。

ピエゾアクチュエータの簡単な充放電方法も可能にする駆動制御回路は、例えばＤＥ１０２００４０３７７２０Ａ１号に記載されている。ピエゾアクチュエータの充電時に生じる充電電流は、使用されている半導体構造素子に損傷を与えないようにするために、通常は制限されなければならない。従って主に、充電電流源のスイッチオンおよびスイッチオフによるパルス状の充電電流が、所望の充電電圧に達するまで、生成される。相応するピエゾアクチュエータの所望の充電電圧が生じた後、これはアクチュエータとして起動され、例えば、弁の開放がトリガされる。ここで有利には、作動時の時間的な充電電圧特性経過が、できるだけ正確に定められることが望ましい。これによって、相応するエンジンに対する燃料噴射が効果的に行われる。

従って本発明の課題は、容量性部材を充電電圧まで充電する、改善された方法および装置を提供することである。

本発明の開示
上述の課題は、請求項１記載の方法、請求項９記載のコンピュータプログラムおよび請求項１０記載の装置によって解決される。

本発明はここで殊に、充電電流ないしは放電電流によって、容量性部材を充電および／または放電する方法を実施する方法を実施する装置に適している。ここでは、充電電流が所定の充電電流閾値を越えると、充電電流を遮断するように制御可能なスイッチが駆動制御される。容量性部材が所定の充電電圧まで充電される間に、充電電流閾値が変化する。制御可能なスイッチの先行する駆動制御後に所定の時間期間が経過する、および／または充電電流が所定の充電電流閾値を下回ると、容量性部材内に充電電流を供給するように、制御可能なスイッチが新たに駆動制御される。

充電電流閾値を変えることで、パルス状の時間的経過特性を有する充電電流の制御によって、結果として生じる、容量性部材での充電電圧の経過特性が、例えば容量性部材をピエゾアクチュエータとして用いた場合の要求に柔軟に適合される。例えば、制御可能なスイッチの数回の駆動制御が含まれる充電周期において、可変電流閾値を、数回上回り、下回り、パルス状の充電電流で充電電流が生じる。通常は、実際に制御可能なスイッチはスイッチオン遅延およびスイッチオフ遅延を有する。従ってスイッチの駆動制御時には、瞬時の電流変化は生じず、充電電流閾値を上回り、下回る。数回の駆動制御は例えば、所定の最大充電周期が経過するまで、または所定の充電電圧が容量性部材に印加されるまで繰り返される。充電電流閾値は充電電流境界とも称される。

充電過程と同様に、低い充電電圧、例えば０Ｖへの、容量性部材の初期充電電圧の放電も行われる。ここでは相応する放電電流の絶対値が相応する放電電流閾値と比較され、容量性部材のパルス状放電が行われる。

この方法を実施する際に、以下のステップのうちの１つまたは複数が実行可能である：充電電流を充電電流源によって供給する；制御可能なスイッチを駆動制御する１つまたは複数の制御信号を生成する；充電電流を適切な測定信号によって検出する；充電電流を充電電流閾値と比較する；隙間時間として、制御可能なスイッチの各駆動制御から経過した時間を検出し、ここでこの隙間時間は、検出された充電電流による充電電流閾値の上回りまたは下回りの間のインターバルとして解される；充電周期の全体時間を検出する；例えばエンジン制御部への譲渡のために、少なくとも１つのコントロール信号を生成する。
本発明の１つの実施形態では、この方法はコンピュータプログラムとして実行される。これはプログラミング制御された計算装置をこの方法を実行するために始動させる。この場合には例えば、コンピュータプログラムをフラッシュメモリ、フロッピー、ＲＯＭ等の記憶媒体または別の現行の記憶媒体上に格納することが可能である。これは同じようにアプリケーションに適合された、またはアプリケーション特有の組み込み回路内に実装可能である。本発明の１つの実施形態では、容量性部材を充電するための装置が構成される。この装置は例えば、自動車用エンジンの燃料噴射に対する調整装置として構成される。ここでは複数の弁アクチュエータが容量性部材として設けられる。この容量性部材は、弁アクチュエータを選択するための別の割り当てられた制御可能なスイッチをそれぞれ有する。

本発明の別の実施例を、従属請求項並びに以下に記載された例に記載する。

本発明を以下で、幾つかの実施例および添付された図に基づいて詳細に説明する。

生じている電圧および電流を説明するための概略的な回路装置 ピエゾアクチュエータの充放電のための概略的な回路装置 容量性部材の充電電流および電圧の概略的な経過特性 制御された充電電流の時間的経過に対する例

これらの図面では、特に断りのない限り、同一の、ないしは機能が同じ部材には、同じ参照番号が付与されている。

本発明の実施形態
図１は、容量性部材の充電および／または放電時の、生じている電流および電圧を示すための概略的な回路装置を示している。図１は、容量性部材１を示している。これは例えばピエゾアクチュエータであり、この中に充電電流ＩＰが入力される。このために充電電流源３、制御可能なスイッチ２およびピエゾ部材１が直列に、第１の電気的ポテンシャルＶＤＤと第２の電気的ポテンシャルＶＳＳとの間に接続されている。制御可能なスイッチ２は、制御信号ＣＴＲによって制御される。制御可能なスイッチとしては、例えばスイッチングトランジスタ、駆動回路または、電流の結合および結合解除をすることができる他の既知な装置が可能である。

さらに例示的に、電圧測定装置４が示されている。この電圧測定装置は、ピエゾ部材１に加わっている充電電圧ＵＰを検出する。第２の電気的ポテンシャルＶＳＳとピエゾ部材との間に設けられている電流測定装置５は、目下の充電電流ＩＰを検出する。ピエゾ部材１を所定の充電電圧にするために、制御可能なスイッチ２を閉成することによって、ピエゾ部材に充電電流が入力される。この充電電流は、制御可能なスイッチ２を数回駆動制御することによって、例えば時間的にパルス状に調整される。ピエゾ部材１の所望の充電電圧ＵＰに達した後または、この充電周期の持続時間に対する所定の最長時間を越えた後、充電過程が終了する。

図２には、容量性部材の充電または放電のための装置の別の概略的な実施例が概略的に示されている。図２に示された装置２内には、制御装置７が設けられている。この制御装置は例えばアプリケーションに適合された、組み込み回路として実現される（ＡＳＩＣ＝application specific integrated circuit）。これは制御信号ＨＳ，ＬＳを介して、制御可能なスイッチ２、６を駆動制御する。これらの制御可能なスイッチは例えばスイッチングトランジスタとして構成されている。

単に例として、個々の容量性部材１がピエゾアクチュエータとして設けられる。これはチョークコイル１４を介して、スイッチングトランジスタ２、６の制御可能区間の間の出力ノードに接続され、抵抗１１を介してアース接続されている。チョークコイル１４はここでは電流制限のために用いられている。アース端子ＧＮＤの代わりに、任意のポテンシャルＶＤＤも選択可能である。さらに、２つのフリーホイールダイオード１２，１３が、トランジスタ２、６の制御可能区間と並列に接続されている。抵抗１１を介して、ピエゾアクチュエータの充電電流ＩＰが定まり、測定信号として制御装置７に供給される。スイッチングトランジスタ２、６の制御可能区間の間の充電ノードには同じように、分圧器９、１０がアース接続されている。ここで抵抗９、１０の間では、ピエゾアクチュエータ１の充電電圧ＵＰが検出可能である、ないしは、測定信号ＵＰが検出可能である。この測定信号は、充電電圧を推測させる。このような測定信号ＵＰは同じように制御装置７に供給される。

第１のスイッチングトランジスタ２の制御可能区間は、ピエゾ部材１と電圧供給部８との間に接続される。ここで電圧供給部８は例えば、制御された直流電圧変換器として構成される。これは供給電圧ＶＤＤを供給する。第２の制御トランジスタ６の制御可能区間はピエゾ部材１とアースＧＮＤとの間に接続される。制御信号ＨＳによって第１の制御可能なスイッチ２、すなわち第１のトランジスタを被制御閉成することによって、充電電流がピエゾアクチュエータ１内に供給される。他方では、第１の制御可能なスイッチ２を開放することによって、すなわち、その制御可能な区間が高オームになるようにトランジスタ２を駆動制御し、同時に、第２のトランジスタの制御可能区間が低オームになるように第２の制御可能なスイッチ６を制御信号ＬＳを介して駆動制御することによって、ピエゾアクチュエータ１が放電される。

制御装置７は例えば、自動車用エンジンの燃料噴射のための調整装置の一部と理解される。ここでは、本願では例として個々に示されたピエゾ部材１が弁アクチュエータとして使用される。回路装置１２の拡張が可能である。ここでは、別の個々の、例えば選択スイッチを介して駆動制御可能なピエゾアクチュエータが並列に設けられる。このピエゾアクチュエータのそれぞれの充電電流強度ＩＰは調整装置ないし制御装置によって検出可能ないし調整可能である。以下では、ピエゾアクチュエータ１の充電ないし放電過程の制御をより詳細に説明する。

このために図３には、充電電流および充電電圧の複数の電流経過特性および電圧経過特性が示されている。

図３Ａは、充電電流ｌ１の時間的な経過特性（実線曲線）並びに、生じる充電電圧Ｕ１（一点鎖線曲線）を示している。ここでは固定された充電電流閾値ｌＢ１（破線曲線）が選択されている。時点ｔ_０では、まずは充電電流がピエゾ部材内に入力される。これが時点ｔ_１で、固定的に設定された充電電流閾値を超えるまで、制御可能なスイッチは遮断され、充電電流を制限する。しかし、スイッチの慣性によってまずは充電電流がさらに上昇してしまう。これは充電電流が下降し、固定された充電閾値ｌＢ１を時点ｔ_２で下回るまで続く。ここでチョークコイル１４も電流を制限する作用をする。さらに、各制御可能なスイッチ、例えば図２におけるトランジスタ２のスイッチが閉成される。従って、充電電流はある程度のスイッチオン遅延後に再び上昇する。図３Ａに示されているように、固定の充電電流閾値ＩＢ１を使用する場合には、パルス状の充電電流ｌ１による、実質的に線形の充電電圧上昇Ｕ１が得られる。この過程は、所望の電圧が得られるまで、または所定の最大充電時間が経過するまで繰り返される。例えば時点ｔ_６では、所望の設定された充電電圧Ｕ１に達し、充電電流が中断される。従って充電電流は再び実際には０に戻る。所定の充電電流は例えば２００Ｖになる。

充放電のための駆動制御部ないしは方法の１つの実施形態では、ｔ_０からｔ_６まで続く充電周期の間に充電電流閾値が変化する。図３Ｂには、充電電流閾値ＩＢ２が示されており、この充電電流閾値は充電の経過の間に、繰り返される、ピエゾ部材１内への充電電流Ｉ２の入力および中断によって上昇する。この上昇は例えば、初期充電電流閾値ＩＢ２_０の設定およびこの経過に対する勾配の設定によって設定される。この勾配は図３Ｂにおいてプラス方向である。変化する充電電流閾値ＩＢ２によって、図３Ａと比べて異なる、充電電圧Ｕ２の電圧経過が生じる。電圧分配器９、１９によって制御装置７から測定された充電電圧Ｕ２は、明確な非線形経過特性を有している。

充電電流Ｉ３および充電電圧Ｕ３の別の経過特性が図３に示されている。ここで、可変充電電流閾値ＩＢ３の勾配は負の方向である。従って、充電電流における最大値は、充電周期の経過においてｔ_０とｔ_６との間で、すなわち、所定の所望の充電電圧Ｕ_３が得られまでで、低下する。自動車での使用時、すなわち、所定充電電圧への容量性部材１の充電ないし放電のための方法の使用時には、１００〜１５０マイクロ秒の時間期間ｔ_６〜ｔ_０が通常である。このような場合には例えば充電電流閾値を１０回、上回り、下回るであろう。

充電電流閾値の各上回りと下回りとの間の充電電流経過特性、例えば、ｔ_１とｔ_２との間の充電電流閾経過特性は、（充電または放電）電流トライアングルとも称される。充電電流経過特性への制御可能なスイッチのスイッチオン遅延およびスイッチオフ遅延の影響を図４に基づいて詳細に説明する。

図４は、充電電流ＩＰの経過特性を示している。これは例えば図２の装置１２内で生じる。可変電流閾値ＩＢが設定される。この電流閾値は段階毎の経過特性を有している。電流閾値ＩＢの段階毎の時間的な経過特性は、装置７での電流および電圧データのデジタル制御時には、例えば、電流閾値の所定の継続的な経過特性ＩＢ’の量子化によって得られる。従って、継続的なこの電流測定および電圧測定のデジタルアナログ変換およびアナログデジタル変換が行われなければならない。

図４は、まずは電流経過特性ＩＰ、制御可能なスイッチ２ないしトランジスタ２に対する可能な駆動制御信号ＨＳ並びに表示信号ＢＳを示している。ここでこの表示信号は、制御装置７が出力し、これによって、別の装置、例えば車両のエンジン制御部が充電周期の持続時間を表示する。参照符号ＥＶによって、トランジスタ２の時間的なスイッチオン遅延が示され、参照番号ＡＶによって、相応のスイッチオフ遅延があらわされ、参照符号ＬＺによって隙間時間があらわされる。この隙間時間は、トランジスタ２を開放および閉成するための駆動制御の間の時間期間をあらわす。

時点ｔ_０で、制御装置７は充電周期を開始し、例えば、スイッチングトランジスタ２を駆動制御ないし開放するための制御信号ＨＳを論理的なＨレベルに設定する。トランジスタ２はこれによって導通接続される。制御装置７は例えば、プログラミングされた形で、充電電流閾値の時間的な経過特性を格納する、または充電電流閾値の時間的な経過特性を例えばエンジン制御部から、初期値ＩＢＯおよび勾配の形で、プログラミング信号ＰＲＧを介して得る。トランジスタ２のスイッチオン遅延ＥＶの後に、充電電流ＩＰが上昇し、時点ｔ_１で、充電電流閾値ＩＢを超過する。制御装置７は、時点ｔ_１で充電電流閾値を上回ったことを識別し、スイッチングトランジスタ２に対する制御信号ＨＳを論理的０にセットする。同時に隙間時間ＬＺが始まる。これは制御装置７によって検出され、設定される。

スイッチングトランジスタ２の慣性によって、充電電流はさらに、短時間の間、上昇する。充電電流はその後低下し、時点ｔ_２で新たに充電電流ＩＢを下回る。これは制御装置７によって記録される。図示の実施例では、充電電流閾値ＩＢは、充電電流が目下の充電電流閾値を下回る毎に変化する。ここでこの充電電流閾値は、ｔ_１とｔ_２の間の第１の充電トライアングルにおいてはまだＩＢ０である。従って時点ｔ_２では制御装置７が充電電流閾値を、量子化された値ＩＢ１へ上げる。これはＩＢ’の勾配α、経過時間ｔ_２および初期値ＩＢ０から、ＩＢ（ｔ_２）＝ＩＢ０＋（ｔ_２−ｔ_０）・αに従って得られる。短い、新たなスイッチオン遅延ＥＶの後に、充電電流が上昇し、時点ｔ_３で新たに目下の充電電流閾値ＩＢを越える。次に、ｔ_１とｔ_２との間の第１の充電トライアングルの場合のように、隙間時間の開始が検出され、制御スイッチ２に対する駆動制御信号ＨＳが適合される、ないしは論理的Ｌレベルに設定される。

充電電流閾値ＩＢを新たに下回った後、充電電流閾値は更新され、値ＩＢ２に設定される。時点ｔ_５では、充電電流ＩＰは新たに目下の充電電流閾値ＩＢを上回り、これによって制御可能なスイッチ２は新たに中断される。充電周期は例えば、所定の最大周期時間が経過したとき、または例えば２００Ｖの所定の充電電圧に達すると、完全に終了する。これは例えば、図４における時点ｔ_５の後の場合である。従って、トランジスタ２は、充電周期のこれに続く時間において新たに閉成されずに、制御信号ＨＳはｔ_５の後、論理的なＬレベルにとどまる。充電周期は、充電電流が実質低に０に戻ると、時点ｔ_６で終了する。充電周期の持続時間は信号ＢＳによって示される。

さらに次のことが可能である。すなわち、その時々の目下の充電電流閾値を下回る毎にだけ、トランジスタ２の閉成による充電電流の新たな入力を引き起こすのではなく、さらに隙間時間閾値、すなわち充電電流の継続的な入力の最大持続時間が経過したか否かの検査を行うことが可能である。スイッチ２の新たなスイッチオンに対する条件としてこの場合に、電流閾値の下回りおよび所定の隙間持続時間の経過が挙げられなければならない。

可変充電電流閾値によって、既に図３に示されているように、充電電圧の非線形経過特性が生じる。従って、例えば自動車の特定の動作状況において、燃料噴射をより正確に行うことができる。可変充電電流閾値ＩＢの勾配が正方向の場合には、例えばまずは充電電圧が僅かに上昇する。また、充電周期の終端付近で急峻に上昇する。他方では、図３Ｃに示されているように、充電周期の終端付近で時間的に、むしろ弱く変化する充電電圧が生じることもある。これは、エンジンの点火時点の調整に対する特定の状況において有利である。

本発明を個々の実施例に基づいてより詳細に説明したが、本発明はこれに制限されず、むしろ多様に修正可能である。殊に本発明は、ピエゾアクチュエータの充電に限られず、多様に、他の容量性部材に使用可能である。充電過程に対する図示の曲線と同じように、可変の放電電流閾値によっても、相応する放電過程時に、有利な時間的な、放電電圧の変化が得られる。放電過程時には、図２の例に基づいて相応に説明したように、第２のスイッチングトランジスタ６が駆動制御され、これによって放電電流はアースに流れる。しかし基本的には、次の限りにおいては充電時と同じ過程が生じる。すなわち、図において負の放電電流、すなわち、ピエゾ部材の放電が想定され、検出された充電電流の絶対値を考慮して電流閾値との比較が行われる限りである。この充電ないし放電方法を、ピエゾアクチュエータが弁調整部材として使用される、燃料噴射システム内で使用する他に、さらに別の使用領域が可能である。各充電電流閾値を、最大および最小電流制限が設定されるように変えることも可能である。これによって電流閾値領域が設定され、この電流閾値領域内で、変化が容量性部材の充電または放電の間に行われる。

Claims (16)

1. 充電電流（ＩＰ）を用いて容量性部材（１）を所定の充電電圧（ＵＰ）に充電するための方法であって、
   当該充電電流（ＩＰ）が所定の電流閾値（ＩＢ）を上回ると、充電電流（ＩＰ）を中断するように制御可能なスイッチ（２）を駆動制御し、
   前記制御可能なスイッチ（２）の先行する駆動制御後に所定の時間期間（ＬＺ）が経過する、および／または前記充電電流（ＩＰ）が所定の充電電流閾値（ＩＢ）を下回ると、充電電流（ＩＰ）を入力するように前記制御可能なスイッチ（２）を新たに駆動制御し、
   前記容量性部材（１）を所定の充電電圧（ＶＰ）に充電する間に、前記充電電流閾値（ＩＢ）を変える、
   ことを特徴とする、充電電流（ＩＰ）を用いて容量性部材（１）を所定の充電電圧（ＵＰ）に充電するための方法。
2. 前記容量性部材（１）が所定の充電電圧（ＵＰ）に達するまで、前記制御可能なスイッチ（２）を複数回駆動制御し、これによって前記充電電流（ＩＰ）は充電電流閾値（ＩＢ）複数回上回り、下回る、請求項１記載の方法。
3. 前記制御可能なスイッチ（２）の第１の駆動制御後に前記充電電流（ＩＰ）が上昇し、それに続く、前記制御可能なスイッチ（２）の第２の駆動制御時に前記充電電流閾値（ＩＢ）を下回ったときに、前記充電電流閾値（ＩＢ）を変える、請求項１または２記載の方法。
4. 前記充電電流閾値（ＩＢ）を所定の段階で変える、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記充電電流閾値（ＩＢ）の変化を充電電流閾値（ＩＢ）の所定の初期値（ＩＢ０）およびの所定の勾配（α）に依存して変える、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 所定の充電周期が経過するおよび／または前記容量性部材（１）が所定の充電電圧（ＵＰ）に達するまで前記制御可能なスイッチ（２）の駆動制御を繰り返す、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記所定の充電電圧（ＵＰ）は、前記容量性部材（１）の目下の充電電圧よりも低く、前記充電電流の絶対値を充電電流閾値と比較し、前記方法によって、前記容量性部材の（１）のパルス状の放電を行う、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 以下のステップのうちの１つまたは複数を実施する：すなわち、
   ・充電電流源（３）によって充電電流を供給する、
   ・前記充電電流源（３）によって供給された充電電流を前記容量性部材（１）に入力するように制御可能なスイッチ（２）を駆動制御する、
   ・前記制御可能なスイッチ（２）を駆動制御するように制御信号（ＨＳ，ＬＳ）を生成する、
   ・前記充電電流または放電電流を検出する、
   ・前記充電電流（ＩＰ）を充電電流閾値（ＩＢ）と比較する、
   ・前記制御可能なスイッチ（２）の各駆動制御からの経過時間を隙間時間（ＬＺ）として検出する、
   ・前記隙間時間（ＬＺ）を所定の隙間時間閾値と比較する、
   ・経過した充電周期時間を検出する
   ・コントロール信号（ＢＳ）を生成する、
   のうちの１つまたは複数を実施する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の方法を実施するプログラミング制御された計算装置をトリガするコンピュータプログラム。
10. 請求項１から８までの少なくともいずれか1項記載の方法を実施する制御回路（７）、殊にアプリケーションに適合された組み込み回路（ＡＳＩＣ）を用いて、入力された充電電流（ＩＢ）または放電電流によって容量性部材（１）を所定の充電電圧（ＵＰ）または放電電圧まで、充電または放電するための装置（１２）。
11. 前記容量性部材（１）はアクチュエータ、殊にピエゾアクチュエータを含んでいる、請求項１０記載の装置（１２）。
12. 前記制御可能なスイッチ（２）は所定のスイッチオン遅延および／またはスイッチオフ遅延（ＥＺ、ＡＺ）を有している、請求項１０または１１記載の装置（１２）。
13. 前記制御可能なスイッチ（２）はスイッチングトランジスタ、殊にＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＤ（insulated gate bipolar transistor）として構成されている、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の装置（１２）。
14. 前記装置は自動車用エンジンの燃料噴射のための調整装置として構成されており、
    複数のバルブアクチュエータが、それぞれ制御可能なスイッチが割り当てられている容量性部材として設けられている、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の装置（１２）。
15. 前記制御回路（１２）は少なくとも１つの電流測定信号（ＩＰ）を受信し、少なくとも１つの制御可能なスイッチに対する制御信号（ＨＳ、ＬＳ）を生成する、請求項１０〜１４までのいずれか１項記載の装置（１２）。
16. 前記制御回路はプログラミング可能であり、請求項１１記載のコンピュータプログラムを実施する、請求項１０から１５までのいずれか１項記載の装置（１２）。

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