KR102323181B1 - 점화 시스템을 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

스파크 플러그에 전류를 제공하기 위해 적어도 2개의 코일 스테이지에 연속적으로 전원을 넣고 끊도록 상기 코일 스테이지(들)를 제어하도록 구성된 스파크 플러그 제어 유닛을 포함하고, 상기 2개의 스테이지는, 제1 2차 권선(L2)에 유도 결합된 제1 1차 권선(L1)을 포함하는 제1 변압기(T1); 제2 2차 권선(L4)에 유도 결합된 제2 1차 권선(L3)을 포함하는 제2 변압기(T2)를 포함하는 다충전 점화 시스템에 있어서, 전원의 하이 측과 상기 제1 1차 권선의 하이 측 사이에 전기적으로 연결된 제1 스위치 수단(M1), 상기 제1 1차 권선과 상기 전원의 로우 측 전원/접지 사이에 전기적으로 연결된 제2 스위치(Q1), 상기 제1 스위치와 상기 제1 인덕터의 하이 측의 연결부와, 상기 제2 1차 권선의 로우 측 및 로우 측 전원/접지 사이의 지점 사이에 연결되는 제3 스위치를 포함하고, 상기 제2 1차 권선의 로우 측과 상기 지점 사이에 위치된 제4 스위치와 상기 지점과 로우 측 전원/접지 사이에 위치된 제5 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 다충전 점화 시스템.

Description

점화 시스템을 제어하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 점화 시스템 및 점화 플러그들을 제어하는 방법에 관한 것이다. 이는 다중 스파크 플러그 점화 시스템과 같이 연속 스파크를 제공하도록 맞추어진 시스템 특별히 적용되지만 그에 독점적이지는 않다.
매우 희박한 공기-연료 혼합물, 즉 연료 소비 및 배출물을 줄이기 위해 더 높은 공기 조성을 가진 혼합물을 사용하는 점화 엔진이 개발되어 왔다. 안전한 점화를 제공하기 위하여, 고에너지 점화원을 갖는 것이 필요하다. 종래 기술의 시스템은 일반적으로, 제한된 스파크 지속 시간 및 에너지 출력을 갖는, 대형의 고에너지 단일 스파크 점화 코일을 사용한다. 이러한 제한을 극복하고 또한 점화 시스템의 크기를 줄이기 위하여, 다충전 점화 시스템(multi-charge ignition system)이 개발되어 왔다. 다충전 시스템은, 출력이 긴 의사 연속(quasi-continuous) 스파크가 되도록, 개별 스파크들의 고속 시퀀스를 생성한다. 다충전 점화 방법은 재충전 기간동안 스파크가 중단되는 단점을 가지며, 이는 높은 난류가 연소실에 존재할 때 특히 두드러지게 부정적인 영향을 미친다. 예를 들어, 이는 실화(misfire)로 이어질 수 있어, 연료 소비가 증가하고 배출물이 증가될 수 있다.
개선된 다충전 시스템이 이러한 부정적인 영향이 없이, 적어도 부분적으로, 넓은 범위의 연소 전압에 대하여 연속 점화 스파크를 생성하고, 스파크 플러그에 조정 가능한 에너지를 전달하고, 자유롭게 선택될 수 있는 점화 불꽃의 연소 시간을 제공하는 다충전 점화 시스템을 개시하는 유럽 특허 EP 2325476호에 설명된다.
이러한 시스템의 한 단점은 초기 충전에서의 높은 1차 전류 피크이다. 그 전류 피크는 바람직하지 않고, 이는 더 많은 구리 손실과 더 많은 EMC 배출물을 발생시키며 차량의 온보드(onboard) 발전(발전기/배터리)에 대하여 더 높은 부하로 작용한다. 높은 1차 전류 피크를 최소화하는 하나의 선택 사항은 점화 코일(예를 들어, 48 V)의 앞쪽에 있는 DC/DC 변환기이다. 그러나, 이는 추가 비용을 발생시킨다.
본 발명의 목적은 DC/DC 변환기의 사용 없이 높은 1차 전류 피크를 최소화하는 것이다.
일 양태에서, 스파크 플러그에 전류를 제공하기 위해 적어도 2개의 코일 스테이지에 연속적으로 전원을 넣고 끊도록 상기 코일 스테이지(들)를 제어하도록 구성된 스파크 플러그 제어 유닛을 포함하고, 상기 2개의 스테이지는, 제1 2차 권선(L2)에 유도 결합된 제1 1차 권선(L1)을 포함하는 제1 변압기(T1); 제2 2차 권선(L4)에 유도 결합된 제2 1차 권선(L3)을 포함하는 제2 변압기(T2)를 포함하는 다충전 점화 시스템에 있어서, 전원의 하이 측과 상기 제1 1차 권선의 하이 측 사이에 전기적으로 연결된 제1 스위치 수단(M1), 상기 제1 1차 권선과 상기 전원의 로우 측 전원/접지 사이에 전기적으로 연결된 제2 스위치(Q1), 상기 제1 스위치와 상기 제1 인덕터의 하이 측의 연결부와, 상기 제2 1차 권선의 로우 측 및 로우 측 전원/접지 사이의 지점 사이에 연결되는 제3 스위치를 포함하고, 상기 제2 1차 권선의 로우 측과 상기 지점 사이에 위치된 제4 스위치와, 상기 지점과 로우 측 전원/접지 사이에 위치된 제5 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 다충전 점화 시스템이 제공된다.
다른 양태에서, 비동작 상태에서, 모든 스위치 M1, M2, M3, Q1, Q2를 오프로 설정하는 단계를 포함하는 전술한 시스템을 동작시키는 방법이 제공된다.
다른 양태에서, 초기 램프 업 페이즈 동안, 스위치 Q1, Q2, M3을 온으로 스위칭하고, 스위치 M1, M2를 오프로 스위칭하는 단계를 포함하는 전술한 시스템을 동작시키는 방법이 제공된다.
다른 양태에서, 상기 초기 램프 업 스테이지 후에, Q1 및 Q2를 오프로 스위칭하는 단계를 포함하는 전술한 시스템을 동작시키는 방법이 제공된다.
다른 양태에서, 결합형 다충전 페이즈 동안, a) Q1/M1을 온으로 설정하고, Q2/M2/M3을 오프로 설정하는 것과, b) Q1/M1/M3을 오프로 설정하고, Q2/M2를 온으로 설정하는 것으로/으로부터, 상기 스위치들을 교대로 설정하는 단계를 포함하는 전술한 시스템을 동작시키는 방법이 제공된다.
다른 양태에서, 스텝 다운 페이즈에서, 스위치 a) Q1/M1/M3을 온으로 설정하고, Q1/M2를 오프로 설정하고, M2/M3을 토글하는 단계를 포함하는 전술한 시스템을 동작시키는 방법이 제공된다.
다른 양태에서, 스텝 다운 페이즈에서, Q1/M2/M3을 온으로 하고, Q2/M1을 온으로 하고, M1/M3을 토글하는 단계를 포함하는 전술한 시스템을 동작시키는 방법이 제공된다.
이제, 본 발명이 다음의 도면을 참조로 하여 예로서 설명될 것이다:
도 1은 종래 기술의 결합형 다충전 점화 시스템의 회로도이다.
도 2는 1차 및 2차 전류, EST 신호 및 코일 1 스위치와 코일 2 스위치의 "온(on)" 시간에 대한, 도 1의 시스템의 타임 라인을 도시한 도면이다.
도 3a는 일례에 따른 결합형 다충전 시스템의 회로를 도시하고, 도 3b는 바람직한 스위치를 갖는 대안적인 예를 도시한다.
도 4a 내지 4f는 바람직한 실시예에서의 동작예에 대한 방법의 순서도를 도시한다.
도 5는 동작 테이블을 도시한다.
[종래 기술]
도 1은, 내연 기관(도시되지 않음)의 단일 연소 실린더와 연관될 수 있는 스파크 플러그(11)에서의 단일 세트의 갭을 갖는 전극에 제공하는 광범위한 연소 전압에 걸쳐 연속 점화 스파크를 생성하기 위한 종래 기술의 결합형 다충전(coupled-multi-charge) 점화 시스템의 회로를 도시한다. CMC 시스템은 필요한 높은 DC 전압을 생성하기 위한 1차 권선(L1, L2)을 포함하는 고속 충전 점화 코일(L1 - L4)을 사용한다. L1 및 L2는 제1 변압기(코일 스테이지)를 형성하는 공통 코어(K1)에 권취되고, 다른 공통 코어(K2)에 권취된 2차 권선(L3, L4)은 제2 변압기(코일 스테이지)를 형성한다. 제1 및 제2의 1차 권선(L1, L3)의 2개의 코일 단부는 전기 스위치(Q1, Q2)에 의해 자동차의 섀시 접지와 같은 공통 접지에 교대로 스위칭될 수 있다. 이 스위치들(Q1, Q2)은, 바람직하게는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)이다. 저항(R1)은, 1차 측으로부터 흐르는 1차 전류(Ip)를 측정하기 위해 선택적으로 존재할 수 있고 스위치(Q1, Q2)와 접지 사이에 연결되며, 2차 측으로부터 흐르는 2차 전류(Is)를 측정하기 위한 선택적 저항(R2)은 다이오드(D1, D2)와 접지 사이에 연결된다.
2차 권선(L2, L4)의 저전압 단부는 고전압 다이오드(D1, D2)를 통해 자동차의 공통 접지 또는 섀시 접지에 결합될 수 있다. 2차 점화 권선(L2, L4)의 고전압 단부는 종래의 수단을 통해 스파크 플러그(11)의 갭을 갖는 한 쌍의 전극 중 하나의 전극에 연결된다. 또한, 스파크 플러그(11)의 다른 전극은 종래대로 엔진 블록에 대한 점화 플러그의 나사 결합에 의해 공통 접지에 연결된다. 1차 권선(L1, L3)은, 공칭 12 V 자동차 전기 시스템에서의 통상적인 자동차 시스템 전압에 대응할 수 있고 도면에서 배터리의 양의 전압인 공통 전원 전위에 연결된다. 충전 전류는 스위치(Q1, Q2)의 상태를 제어하는 전자 제어 회로(13)에 의해 통제될 수 있다. 제어 회로(13)는, 예를 들어 ECU에 의해 공급되는 엔진 스파크 타이밍(engine spark timing; EST) 신호에 응답하여, 1차 권선(L1, L2)을, 각각, 신호(Igbt1, Igbt2)에 의해 각각 제어되는 스위치(Q1, Q2)를 통해 시스템 접지에 선택적으로 결합한다. 측정된 1차 전류(Ip) 및 2차 전류(Is)는 제어 유닛(13)에 전송될 수 있다. 유익하게는, 배터리(15)의 공통 전원 전위는 점화 스위치(M1)를 통해, 접지된 것의 반대쪽 단부에서 1차 권선(L1, L3)에 결합된다. 스위치(M1)는, 바람직하게는, MOSFET 트랜지스터이다. 다이오드(D3) 또는 임의의 다른 반도체 스위치(예컨대, MOSFET)가 스텝 다운 컨버터를 형성하도록 트랜지스터(M1)에 결합된다. 제어 유닛(13)은 신호 FET에 의해 스위치(M1)를 오프로 스위칭하도록 이네이블된다. 다이오드(D3) 또는 임의의 다른 반도체 스위치는 M1이 오프일 때 온으로 스위칭되고, 온일 때 오프로 스위칭될 것이다.
종래 기술의 동작에서, 제어 회로(13)는 갭을 갖는 전극에 걸쳐 연장된 고에너지 아크를 제공하도록 동작한다. 제1 단계 동안, 스위치(M1, Q1, Q2)은 모두 온으로 스위칭되어, 전원(15)의 전달된 에너지가 양 변압기(T1, T2)의 자기 회로에 저장된다. 제2 단계 동안, 양 1차 권선이 스위치(Q1, Q2)에 의해 동시에 오프로 스위칭된다. 변압기의 2차측에 고전압이 유도되고, 점화 스파크가 스파크 플러그(11)의 갭을 갖는 전극을 통해 생성된다. 제3 단계 동안, 양 변압기(T1, T2)가 에너지를 전달하고 있는 최소 연소 시간 후에, 스위치(Q1)는 온으로 스위칭되고 스위치(Q2)는 오프로 스위칭된다(또는 그 반대). 이것은, 제1 변압기(L1, L2)가 자신의 자기 회로에 에너지를 저장하는 반면, 제2 변압기(L3, L4)는 스파크 플러그에 에너지를 전달한다는 것(또는 그 반대)을 의미한다. 제4 단계 동안, 1차 전류(Ip)가 한계(Ipmax)를 넘어 증가할 때, 제어 유닛은 이를 검출하고 트랜지스터(M1)를 오프로 스위칭한다. 오프로 스위칭된(Q1 또는 Q2) 변압기(L1, L2 또는 L3, L4)에 저장된 에너지는 다이오드(D3; 스텝 다운 토폴로지(step-down topology))를 넘어 전류를 밀어내므로, 변압기는 자기 포화 상태로 될 수 없어, 그 에너지는 제한된다. 바람직하게는, 트랜지스터(M1)는 변압기 내의 에너지를 일정한 레벨로 유지하기 위하여 영구적으로 온 및 오프로 스위칭될 것이다. 제5 단계 동안, 2차 전류(Is)가 2차 전류 임계 레벨(Ismin)보다 낮게 감소한 직후에, 스위치(Q1)는 오프로 스위칭되고 스위치(Q2)는 온으로 스위칭된다(또는 그 반대). 그 다음, 제어 유닛은 양 스위치(Q1, Q2)를 오프로 스위칭하면, 스위치(Q1, Q2)를 순차적으로 온 및 오프로 스위칭함으로써 제3 내지 제5 단계가 반복될 것이다.
도 2는 점화 시스템 전류의 타임 라인을 도시한다; 도 2의 (a)는 시간에 따른 1차 전류(Ip)를 나타내는 트레이스(trace)를 도시한다. 도 2의 (b)는 2차 전류(Is)를 도시한다. 도 2의 (c)는 ECU로부터 점화 시스템 제어 유닛으로 전송되고 점화 시간을 도시하는 나타내는 EST 라인 상의 신호를 도시한다. 단계 1 동안, 즉 M1, Q1 및 Q2가 온으로 스위칭되는 동안, 1차 전류(Ip)는 변압기 내 에너지 저장에 따라 급속히 증가하고 있다. 단계 2 동안, 즉 Q1 및 Q2가 오프로 스위칭되는 동안, 2차 전류(Is)는 증가하고 있고 고전압이 유도되어 스파크 플러그의 갭을 갖는 전극을 통해 점화 스파크를 생성한다. 단계 3 동안, 즉 Q1 및 Q2가 순차적으로 온 및 오프로 스위칭되는 동안, 이에 따라 스파크 및 변압기에 저장된 에너지를 유지한다. 단계 4 동안, 1차 전류(Ip)와 한계(Ipth) 사이의 비교가 이루어진다. Ip가 Ipth를 초과할 때 M1은 오프로 스위칭되어, "온으로 스위칭된" 변압기는, 이의 저장된 에너지를 제한함으로써, 자기 포화 상태로 될 수 없다. 스위치(M1)는 이러한 방식으로 온 및 오프로 스위칭되어, 1차 전류(Ip)가 제어된 범위 내에서 안정적이다. 단계 5 동안, 2차 전류(Is)와 2차 전류 임계 레벨(Isth) 사이의 비교가 이루어진다. Is < Isth 이면, Q1은 오프로 스위칭되고 Q2는 온으로 스위칭된다(또는 그 반대). 그 다음, 단계 3 내지 5는, 제어 유닛이 양 Q1 및 Q2를 오프로 스위칭하면, Q1과 Q2를 순차적으로 온 및 오프로 스위칭함으로써 반복될 것이다. 2개의 변압기를 교대로 충전 및 방전하기 때문에 점화 시스템은 연속 점화를 전달한다. 전술한 내용은 본 발명의 배경 기술을 제공하기 위해 종래 기술의 점화 시스템의 회로 및 작동을 설명한다. 본 발명의 일부 양태에서는, 전술한 회로가 사용될 수 있다. 본 발명은 성능을 향상시키고 스파크 플러그의 마모를 감소시키는 다양한 해결 방안을 제공한다. 도 2의 (d) 및 (e)는 스위칭 온 및 오프 시간에 대한 각각의 코일의 작동 상태를 나타낸다.
[본 발명의 상세한 설명]
예 1
도 3a는 일례에 따른 개략적인 회로를 도시한다 - 이는 도 1의 회로와 유사하다. 향상된 명료성을 위하여, 회로의 1차 측은 회로의 2차 측에 분리되어 도시된다. 예를 들어, 1차 코일은 2차 코일로부터 분리되어 도시된다. 그러나, 도면에 도시된 2개의 코어(K1, K2)는 각각 2번 나타내지만, 실제로는 각각 하나만 존재한다는 것이 이해되어야 한다; 인덕터 코일(L1, L2)을 동일한 공통 코어(K1)를 공유하고, 인덕터 코일(L3, L4)은 동일한 공통 코어(K2)를 공유한다.
본 예에서, 전력 스위치(M1)는 도 1에서의 M1과 유사하게 배열되어 위치된다. 이 스위치는 전력, 예를 들어, 배터리의 하이 측과 코일(L1)의 하이 측 사이에 위치된다. 인덕터 코일(L1, L3)의 로우 측은 스위치(Q1, Q2)를 통해 접지로 연결된다. 추가적인 전력 스위치가 인덕터(L1)의 하이 측과 인덕터(L3)의 로우 측 사이에 연결된다. 추가적인 전력 스위치(M2)는 스위치(Q2)를 접지에 연결한다.
2차 측에서, 병렬로 배열된 2개의 2차 코일은 각각 션트 저항(R2)을 통해 코일의 로우 측을 접지로 직렬 연결하는 다이오드를 가지며, R2는 2차 전류를 측정하는데 사용된다.
스위치(M1, M2, M3, Q1 또는 Q2) 중 임의의 스위치는 ECU 및/또는 스파크 제어 유닛(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다.
회로는 DP-322180에서 설명된 바와 같이 2개의 추가 전력 스위치를 가지는 대신에 단지 1개의 추가 전력 스위치를 가질 필요가 있다.
도 3b는 바람직한 스위치를 갖는 대안적인 예를 도시한다.
회로는 고압(HV) 다이오드(D1 및 D2)에서 전압을 측정하기 위한 수단을 포함할 수 있으며, 선택 사항이지만, 공급 전압(Ubat)이 추가적으로 또는 선택적으로 측정될 수 있다.
도 3a 및 3b와 같은 본 예에 따른 회로의 동작은 도면들의 순서도를 참조하여 다음과 같이 구현될 수 있다. 또한, 설명의 마지막에, 약어/정의에 대한 리스트가 있다.
A) 메인 루프
도 4a는 메인 루프의 순서도를 도시한다.
초기에, 모든 전력 스위치가 오프이다. 코일은 루프에서 ECU로부터의 제어 신호(EST 신호)를 대기하고 있다. EST가 하이일 때, "초기 충전"이 시작되고 있다. 그 다음, 과정은 초기 충전 프로세스로 진행한다.
B) 초기 충전
도 4b는 이 페이즈(phase)에 대한 순서도를 도시한다. 초기 충전을 위하여, 양 코일 스테이지는 직렬로 연결된다: Q1, Q2, M3는 온이다: 전류는 L3, L1 및 R1을 통하여 흐른다. 이것으로, 에너지가 양 트랜스포머에 저장된다. 1차 전류는 R1을 통해 측정되고, 전류가 너무 높다면, 양 IGBT는 안전 특징으로서 오프로 스위칭된다. Tdwell 시간이 검출되고, 시간이 너무 높다면, 양 IGBT는 안전 특징으로서 오프로 스위칭된다. 양 트랜스포머는 ECU의 EST 신호가 하이이면 충전된다.
강하 에지에서:
i) 먼저, 최대 1차 전류(Ipmax)가 샘플링되고 2차 전류 임계값이 Ipmax의 함수로서 설정된다. Isth = Ipmax/2/ue - dIs이며, dIs는 ~30mA 내지 80 mA 사이의 값이다.
ii) 양 IGBT(Q1, Q2)가 오프로 스위칭된다. 이 때, 2차 전압측에 고압이 유도된다. 점화 스파크가 생성된다.
iii) 작은 지연 시간이 강력한 스파크를 생성하는데 필요하다(20 내지 50 us). CMC-사이클 타이머가 개시된다. CMC-타이머를 위한 통상적인 값은 500 us(높은 RPM에서) 및 15 ms(예를 들어 콜드 스타트(cold start)인 낮은 RPM에서) 사이이다.
iv) "MultiIgbtNxt"인 다음 단계로 진행한다.
C) MultiIgbtNxt
도 4c는 이 페이즈를 위한 순서도를 도시한다. 이 프로그램 부분은 각각의 토글 사이클 사이에 사용된다. 이 시스템의 주요 목적은 연속하는 2차 전류를 유지하고, 이를 이용하여, 다음의 특성 상태 사이에 토글하는 것이다:
● 코일 1이 충전하고 있고, 코일 2가 점화하고 있다: Q1, M1은 온이고, Q2, M2, M3은 오프이다.
● 코일 1이 점화하고 있고, 코일 2가 점화하고 있다: Q1, M1, M3은 오프이고, Q2, M2는 온이다.
다음의 단계들이 취해진다:
i) CMC 사이클이 종료되는지 검사한다. CMC 사이클은 ECU 인터페이스 또는 타이머(CMC-타이머)를 통한 코일의 CU를 통해 종료될 수 있다. 종료되면, "MultiIgbtEnd"로 진행한다.
ii) 토글 동작을 식별하기 위하여 요구됨. Igbt Q1이 온으로 스위칭? 이것은 제1 CMS 사이클이 항상 코일 스테이지 1로 시작한다는 것을 의미한다.
iii) 2개의 가능성:
Q1이 오프였으면, 코일 1을 충전하고, 코일 2를 점화한다: Q1, M1이 온이고, Q2, M2, M3은 오프이다. MultiTimer가 개시되고, 이는 CMC 토클 주파수를 제한하는데 필요하다.
Q1이 온이었으면, 코일 1을 점화하고, 코일 2를 충전한다: Q1, M1, M3은 오프이고, Q2, M2는 온이다. MultiTimer가 개시되고, 이는 CMC 토클 주파수를 제한하는데 필요하다.
iv) MultiIgbtXLoop 페이즈로 진행한다.
D) MultiIgbtXLoop
도 4d는 이 페이즈를 위한 순서도를 도시한다. 이 페이즈의 주요 목적은 상이한 전류와 전압을 측정하고, 대응하는 값이 범위 밖에 있다면, 이에 반응하는 것이다.
i) 다이오드에서의 전압이 모니터링된다. 전압이 너무 높다면, MultiIgbtOff로 진행한다(HV 다이오드를 보호하기 위하여 양 코일을 재충전한다).
ii) 1차 전류 Ip를 검출한다:
a. IpthCMC보다 너무 높게 더 높은 Ip는 1차 전류를 제한하는 "IpmaxStepDown" 페이즈로 진행하고, 그 다음 단계 iii)으로 진행한다. IpthCMC의 값은 통상적으로 15 A와 35 A 사이의 범위 내에 있다.
b. 단계 iii)으로 진행한다.
iii) MultiTimer를 검사하고, 타이머가 적응 가능한 시간에 도달하면, 단계 i로 진행하고, 아니면 단계 iv)로 진행한다. MultiTimer에 대한 통상적인 시간은 80 us와 500 us 사이의 범위 내에 있다.
iv) 2차 전류(Is)가 임계값(Isth) 아래에 있는지 검사한다:
a. 아니라면, 단계 i)로 진행한다.
b. 그렇다면, MuliIgbtNxt(토글 코일 스테이지)를 갖는 단계 v)로 진행한다.
v) 2차 전류 임계값(Isth)은 측정된 최대 전류(Ipmax)의 함수로서 설정된다. 그 다음, MuliIgbtNxt 페이즈(토글 코일 스테이지)로 진행한다.
E) MultiIgbtOff
도 4e는 이 페이즈의 순서도를 도시한다. 이 페이즈는 HV 다이오드에서의 전압이 너무 높을 때 개시되고, 양 변압기를 온으로 스위칭함으로써 너무 높은 전압의 HV 다이오드를 보호하는데 필요하다. 이것은 초기 충전 페이즈와 유사하다.
i) 양 코일 스테이지가 직렬로 연결된다: Q1, Q2, M는 온이고, M1, M2는 오프이다: 전류는 L3, L1 및 R1을 통해서 흐른다. 이것으로, 에너지가 양 변압기에 저장된다. 1차 전류는 R1을 통해 측정된다
ii) 1차 전류(Ip)를 검출한다:
a. Ip가 Iph1보다 높다면, 단계 iii)으로 진행한다. Ipth1은 15와 35 A 사이의 범위 내에 있다.
b. 1차 전류가 한계에 도달하면, 양 코일을 재충전한다.
iii) 최대 1차 전류(Ipmax)가 샘플링되고, 2차 전류 임계값이 Ipmax의 함수로서 설정된다. Isth = Ipmax/2/ue-dIs이고, dIs는 ~30 mA와 80 mA 사이의 값이다.
iv) 양 IGBT(Q1, Q2)는 오프로 스위칭된다. 이 때, 2차측에서의 고압이 유도된다. 점화 스파크가 생성된다.
v) 작은 지연 시간이 강력한 스파크를 생성하는데 필요하다(20 내지 50 us)
vi) MuliIgbtNxt 페이즈(토글 코일 스테이지)로 진행한다.
F) MultiIgbtEnd
도 4f는 "MultiIgbtEnd" 페이즈의 순서도를 도시한다. 여기에서, 2차 전류는 0으로 램프 다운(ramped down)되고, 이것은 스파크 플러그 마모를 최소화하는데 필요하다. 다음 단계들이 취해진다:
i) 램프 다운에 사용되는 2차 전류 임계값(Isth)이 최소 2차 전류 임계값 아래에 있다면, 메인(도 4a)으로 진행한다.
ii) Igbt가 온?
a. Q1이 오프이다: Q1, M2, M3을 온으로 스위칭하고, Q2, M1을 오프로 스위칭한다. 이것으로, 코일 1은 점화하고 있고, 코일 2는 프리휠링 모드에 있으며, 그 다음, 전류는 L1, Q2, M3, M1를 통해 흐른다.
b. Q1이 온: Q2, M1, M3을 온으로 스위칭하고, Q1, M2를 오프로 스위칭한다. 이것으로, 코일 2는 점화하고 있고, 코일 1은 프리휠링 모드에 있으며, 그 다음, 전류는 L1, Q1, M3, M2를 통해 흐른다.
iii) 2차 전류(Is)가 Isth에 미치지 못하게 될 때까지 기다리고, 그 다음 단계 iv)로 진행한다.
iv) 새로운 2차 전류 임계값(Isth(n))이 이전 Isth(n-1) 값에 따라 설정된다: Isth(n) = Isth(n-1) - dIs이고, dIs는 20 mA 내지 50 mA의 범위에 있다.
G) IpmaxStepDown
도 4g는 IpmaxStepDown 페이즈를 도시한다. 이 함수/페이지는 1차 전류를 최대값으로 제한하는데 필요하다. 이 모드에서, 전류는 프리휠링 경로에서 흐르고, 이 특징으로, 전류가 제한되고, 이것으로, 에너지가 저장된다. 이 함수는 하나의 코일이 충전되고 다른 코일이 방전/점화되는 CMC-사이클 동안 호출된다.
1. Igbt가 온?
a. Q1이 오프:
i) Q2, M1 및 M3을 온으로 스위칭함으로써 코일 2가 스텝 다운 모드로 스위칭된다.
ii) PWM 신호를 통해 M2와 M3을 토글하고, PWM 신호는 CMC-사이클이 다음 단계(MultiIgbtNxt)로 토글되면 온으로 스위칭된다.
b. Q1이 온:
i) Q1, M2 및 M3을 온으로 스위칭함으로써 코일 1이 스텝 다운 모드로 스위칭된다.
ii) PWM 신호를 통해 M1과 M3을 토글하고, PWM 신호는 CMC-사이클이 다음 단계(MultiIgbtNxt)로 토글되면 온으로 스위칭된다.
아래의 도 5의 표는 타이밍을 도시한다. 스텝 다운 상태 내부에서, Q1이 온으로 스위칭될 때, M1과 M3은 토글되고(T), Q2가 온으로 스위칭될 때, M2과 M3가 토글된다. "MultiIgbtNxt"는 CMC-모드(MultiCharge 모드)를 나타낸다.
제어의 요약
아래는 핵심적인 페이즈를 위한 스위치의 제어에 대한 요약을 나타낸다.
a) 회로로 어떠한 전류도 흐르지 않는 것(폐회로가 없음)만이 여기에서 중요하지만, 초기에는, 모든 스위치가 처음에는 오프이다. Q1, Q2, M1, M2, M3 - 모두 오프.
b) 초기 램프 업(ramp up)을 위하여, Q1/Q2/M3을 온으로 스위칭하고 M1/M2를 오프로 스위칭한다(overTdwell-Timer 시작).
c) 그 다음, 가장 중요한 것이 Q1과 Q2이고 이것들이 오프이어야만고, 다른 것들은 단락 회로가 없는 방식으로 스위칭되어야 하지만, 모든 스위치를 오프로 스위칭한다.
d) CMC-모드를 위하여, 스위치가 다음으로부터(다음들 사이에) 이동한다: Q1/M1 온, Q2/M2/M3 오프 그리고 Q1/M1/M3 오프, Q2, M2 온
L1 - 1차 유도 코일 1
L2 - 2차 유도 코일 1
L3 - 1차 유도 코일 2
L4 - 2차 유도 코일 2
K1 - 자기 결합 계수 코일 1
K2 - 자기 결합 계수 코일 2
R1 - 1차 전류 션트 저항
R2 - 1차 전류 션트 저항
Q1 - 코일 스테이지 1을 위한 IGBT
Q2 - 코일 스테이지 2를 위한 IGBT
D1 - 고압 다이오드 코일 1
D2 - 고압 다이오드 코일 2
M1 - 전력 스위치(MOSFET), 스텝 다운 스위치 코일 2
M2 - 전력 스위치(MOSFET), 스텝 다운 스위치 코일 1
M3 - 전력 스위치(MOSFET), 직렬 연결 및 스텝 다운 스위치
ue - 1차 권선과 2차 권선 사이의 권선비
Ub - 배터리 전압
Us - 2차 전압, 스파크 플러그 전압
Ud - 고압 다이오드 전압
Udthmax - 고압 다이오드 스위칭 임계 전압
ECU - 엔진 제어 유닛(Engine Control Unit)
EST - 엔진 스파크 타이밍(Engine Spark Timing), ECU로부터 유래하는 제어 신호에 대하여 일반적인 명칭
CU - 점화 코일의 제어 유닛(Control Unit)
CMC - 결합형 다충전 점화(Coupled MultiCharge Ignition)
Ipth - CMC에서의 1차 전류 스위칭 임계값
Ipth1 - 초기 충전 동안의 1차 전류 스위칭 임계값
Isth - CMC에서의 2차 전류 스위칭 임계값
Ipmax - 초기 충전 이후의 최대 1차 전류 피크
Ipthmax - 스텝 다운 동작에서의 최대 1차 전류 스위칭 임계값
PWM - 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation)

Claims (7)

  1. 스파크 플러그에 전류를 제공하기 위해 적어도 2개의 코일 스테이지에 연속적으로 전원을 넣고 끊도록 상기 코일 스테이지(들)를 제어하도록 구성된 스파크 플러그 제어 유닛을 포함하고, 상기 2개의 스테이지는, 제1 2차 권선(L2)에 유도 결합된 제1 1차 권선(L1)을 포함하는 제1 변압기(T1); 제2 2차 권선(L4)에 유도 결합된 제2 1차 권선(L3)을 포함하는 제2 변압기(T2)를 포함하는 다충전 점화 시스템에 있어서, 전원의 하이 측과 상기 제1 1차 권선의 하이 측 사이에 전기적으로 연결된 제1 스위치(M1), 상기 제1 1차 권선의 로우 측과 상기 전원의 로우 측 전원 또는 접지 사이에 전기적으로 연결된 제2 스위치(Q1), 상기 제1 스위치와 상기 제1 1차 권선의 연결부와, 상기 제2 1차 권선의 로우 측 및 로우 측 전원 또는 접지 사이의 지점 사이에 연결되는 제3 스위치(M3)를 포함하고, 상기 제2 1차 권선의 로우 측과 상기 지점 사이에 위치된 제4 스위치(Q2)와, 상기 지점과 로우 측 전원 또는 접지 사이에 위치된 제5 스위치(M2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 다충전 점화 시스템.
  2. 제1항에 따른 시스템을 동작시키는 방법에 있어서,
    비동작 상태에서, 모든 스위치 M1, M2, M3, Q1, Q2를 오프로 설정하는 단계를 포함하는,
    방법.
  3. 제1항에 따른 시스템을 동작시키는 방법에 있어서,
    초기 램프 업 페이즈 동안, 스위치 Q1, Q2, M3을 온으로 스위칭하고, 스위치 M1, M2를 오프로 스위칭하는 단계를 포함하는,
    방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초기 램프 업 스테이지 후에, Q1 및 Q2를 오프로 스위칭하는 단계를 포함하는,
    방법.
  5. 제1항에 따른 시스템을 동작시키는 방법에 있어서,
    결합형 다충전 페이즈 동안,
    a) Q1/M1을 온으로 설정하고, Q2/M2/M3을 오프로 설정하는 것과,
    b) Q1/M1/M3을 오프로 설정하고, Q2/M2를 온으로 설정하는 것
    으로/으로부터, 상기 스위치들을 교대로 설정하는 단계를 포함하는,
    방법.
  6. 제1항에 따른 시스템을 동작시키는 방법에 있어서,
    스텝 다운 페이즈에서, 스위치 a) Q1/M1/M3을 온으로 설정하고, Q1/M2를 오프로 설정하고, M2/M3을 토글하는 단계를 포함하는,
    방법.
  7. 제1항에 따른 시스템을 동작시키는 방법에 있어서,
    스텝 다운 페이즈에서, Q1/M2/M3을 온으로 하고, Q2/M1을 온으로 하고, M1/M3을 토글하는 단계를 포함하는,
    방법.
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