WO2013113757A1 - Verfahren zur ansteuerung und diagnose eines sensorelements zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines gases in einem messgasraum - Google Patents

Verfahren zur ansteuerung und diagnose eines sensorelements zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines gases in einem messgasraum Download PDF

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WO2013113757A1
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width modulation
sensor element
heater
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Reinhard Hein
Martin Buchholz
Jens Wagner
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • a plurality of sensor elements for detecting at least one property of a gas in a sample gas space are known.
  • this can be any property of the gas, for example a physical and / or chemical property of the gas.
  • the invention will be described below with reference to sensor elements for detecting a proportion, that is, for example, a partial pressure and / or a
  • the gas component may in particular be oxygen.
  • other gas components can alternatively or additionally be detected, for example
  • Nitrogen oxides, hydrocarbons or other gas components are not limited to the detection of gas components, but in principle, alternatively or additionally, other properties of the gas can be detected.
  • Such sensor elements are in Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pages 160-165 described.
  • the sensor elements shown there can basically also according to a method according to the present invention be operated and / or used in the context of a sensor element according to the invention.
  • such sensor elements can be designed as lambda probes.
  • a lambda probe is generally based on the use of at least one galvanic oxygen concentration cell with at least one solid electrolyte.
  • so-called pump cells can also be used.
  • Lambda probes can be a single cell or a single cell
  • such sensor elements have at least one heating device.
  • the solid electrolyte typically becomes conductive at an activation temperature of about 350 ° C for oxygen ions.
  • the operating temperature of conventional lambda probes is generally much higher, for example at 650 ° C-850 ° C.
  • the sensor element is usually actively electrically heated.
  • most sensor elements of the type mentioned have at least one electrical heating element, which is also generally referred to below as a heating device and which is usually controlled by at least one control unit.
  • known zirconia-based lambda probes have an integrated platinum heater which is typically designed to have a larger heat capacity reserve under normal operating conditions. This means that the required for the operation of the sensor element heater voltage or heating power is usually much smaller than the available
  • Heater voltage hereinafter understood both the actual voltage applied to the heater, and alternatively an effective
  • the output signal of a sensor element of the abovementioned type is generally functionally strongly dependent on the temperature of the sensor element. To improve the signal accuracy, it is therefore desirable to decouple the temperature of the sensor element from changes in the exhaust gas temperature and to keep it as constant as possible.
  • a temperature control of the heater voltage of a jump probe via an operating point-dependent characteristic map with the input variables of an exhaust gas temperature and an exhaust gas mass flow is customary.
  • An increased temperature accuracy results from a temperature control of the sensor element.
  • an internal resistance of the sensor element can be used as the control variable, for example at least one cell of the sensor element, since there is generally a clear relationship between the internal resistance and the temperature of the sensor element.
  • an internal resistance of 220 ⁇ corresponds to a sensor element temperature of 780 ° C.
  • the operating temperature of the sensor element should be adjustable independently of the exhaust gas temperature in order to further increase the signal accuracy and thus in turn to allow lower emissions and more robust diagnoses. At the same time a control with a high heating power reserve should be possible without the risk of destruction of the sensor element by overheating when heated in the
  • the sensor element of an exhaust gas probe should be operable at as constant a temperature as possible and at the same time protected against overheating.
  • the heating device is usually controlled by means of the above-mentioned pulse width modulation, which is realized for example from the vehicle electrical system. Basically, the condition of the heater system must be monitored at all times. this is the
  • on-board diagnosis OBD
  • the range of possible duty cycles is usually limited to a duty cycle of the heater of 2% to 98%.
  • the remaining pulse pause or switch-on phase is required to carry out the diagnosis.
  • the heater output stage must both turn on and off. This is not the case with extreme duty cycles of 0% or 100%. Because legally a minimum frequency of this test is required, these extreme duty cycles must not be set.
  • the effective heat output can no longer be set exactly. With such small switch-on times, the edge steepness of the output stage causes a large relative error in the set heating power.
  • Diagnosis of these sensor elements as well as at least partial realization of the abovementioned goals accordingly proposes a method for activating and diagnosing a sensor element which can be heated by means of a heating device for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space.
  • the detection of the at least one property may in particular be a determination of a proportion of a gas component in the gas.
  • Gas component may in particular be one or more of the gas components oxygen, nitrogen, nitrogen oxides, hydrocarbons or other components.
  • the gas may in particular be an exhaust gas, in particular an exhaust gas of an internal combustion engine, and in the sample gas chamber in particular an exhaust gas tract, for example an exhaust gas tract in a motor vehicle.
  • the method comprises at least the following steps:
  • Pulse width modulation frequency is performed.
  • Pulse width modulation frequency is different from the diagnostic frequency.
  • the pulse width modulation frequency may be higher than the diagnostic frequency.
  • the pulse width modulation frequency can be an integer multiple of the diagnosis frequency, in particular a factor of at least 50, ie
  • Pulse width modulation frequency can be at least 50 times higher than the diagnostic frequency.
  • the minimum on-time and the minimum off-time can be set for at least one pulse width modulation period at the diagnostic frequency, and a longer or shorter duty cycle can be set for the remaining pulse width modulation cycles.
  • the minimum duty cycle may be set for at least one pulse width modulation period at the diagnostic frequency, and for the remaining pulse width modulation cycles, the
  • the minimum duty cycle may be set for at least one pulse width modulation period at the diagnostic frequency, and for the remaining pulse width modulation cycles, the
  • the minimum on-time and the minimum off-time may each include a proportion of a pulse width modulation period of less than 2%.
  • the heater can not be supplied with electrical current and / or electrical voltage with electrical current and / or with electrical voltage and / or in at least a portion of the pulse width modulation period become.
  • a diagnosis is to be understood to mean monitoring of the sensor element, in particular a check for short circuits of the electrical circuits, such as, for example, short circuits to ground and also to a battery of a heating device.
  • a check for short circuits of the electrical circuits such as, for example, short circuits to ground and also to a battery of a heating device.
  • all exhaust-influencing systems are monitored, plus other important control devices whose data are accessible through their software. occurring Faults can be indicated to the driver via a warning light and in the respective
  • Control unit permanently stored. Error messages can then be queried later by a specialist workshop via standardized interfaces. diagnoses
  • Pulse width modulation pen necessary. For this purpose, it is necessary that the turn-on of the heater does not fall below the minimum diagnostic duration. In order to be able to observe both states, however, the heating device must not be switched on for the minimum diagnostic duration, in order to be able to check a correct shutdown behavior. The activation duration of the heating device must therefore not exceed a maximum time, which is composed of the pulse width modulation period reduced by the minimum duration of diagnosis. That is why allowed during a
  • Duty cycle can not be exceeded.
  • the minimum duty cycle and the minimum turn-off time are technically conditioned according to these explanations and are dictated inter alia by the reaction behavior of the technical devices for controlling the sensor element and the heating device. In particular, a safe diagnosis statement can be made only after a certain period, so
  • observed values of voltage and / or current over time may have sufficient time to exceed or undershoot predetermined thresholds for a particular duration, and thus differ from other values of voltage or current at other times.
  • the voltage applied to the heater increases during shutdown.
  • the voltage takes a certain amount of time due to the inertia of the electrical components of the sensor element to rise to its maximum value, which is above a threshold. Only at; only when
  • a diagnostic statement may be made such that the heater will shut down correctly, since the maximum value will differ sufficiently from other times when the heater shuts off for a period of time less than the minimum shutdown time required for the diagnostic becomes.
  • a pulse width modulation is in the context of the present invention, a
  • a technical size such as the electrical current, voltage and / or electrical power
  • the duty cycle of the signal is modulated, ie the width of a pulse.
  • a pulse width modulation signal is generally demodulated via a low pass.
  • the resulting demodulated technical quantity corresponds to the arithmetic mean and thus the mean height of the area under the modulated size, mathematically determined from the integral over an integer number of periods divided by the duration of the integration.
  • Pulse width modulation is a modulation mode in which the heater is constantly
  • Period duration is, the higher the average heating power.
  • the temperature of the heated sensor element can therefore be approximated with a corresponding number of periods of a specific setpoint temperature, such as the operating temperature.
  • a duty cycle is to be understood as the ratio of the pulse duration to the pulse cycle duration.
  • the duty cycle is expressed as a dimensionless ratio with a value of 0 to 1 or 0% to 100%
  • the duty cycle for example, the arithmetic mean value of the electrical voltage at the heating device of the sensor element can be changed. Since this adjustment is due to the switching with almost no power dissipation, this digital technology method is a common method for controlling electrical voltage and power. In the context of the present invention is to be understood in particular the percentage in which the heater is turned on in relation to an entire period of switched on and off heating device.
  • the sensor element according to the invention may in particular comprise at least one additional element selected from the group consisting of: a Nernst cell, a pump cell, a heating device.
  • the sensor element can be operated in particular as a broadband lambda probe with pump and Nernstzelle either as Magersonde on the limiting current principle or as a jump probe with pumped reference.
  • the heating device can in particular serve to regulate the temperature of the sensor element, in particular of parts of the sensor element.
  • the heater may preferably the
  • the heater may be formed as a platinum heater or a platinum heater, which is usually designed so that it has a larger heat reserve under normal operating conditions. This means that the required for the operation of the sensor element heater voltage or
  • Heating power is usually much smaller than the available one
  • a solid electrolyte is to be understood as a solid having ion-conducting properties, for example with oxygen-ion-conducting properties.
  • Such solid electrolytes can, for example, on
  • a diagnostic frequency is the number of diagnostic periods per second.
  • a pulse width modulation frequency is to be understood as meaning the number of pulse width modulation periods per second.
  • the heating device may in particular comprise a resistive heating device, that is, for example, at least one heating resistor, which, for example, by applying a
  • Heater voltage and / or a heater current can be resistively heated.
  • An idea of the invention is to control the sensor element with respect to a relatively low minimum diagnostic frequency, such as 2 Hz, with a comparatively very high pulse width modulation frequency, such as 100 Hz. In other words, a diagnosis is not performed during each pulse width modulation period, but for example only at least two
  • Pulse width modulation periods per second For target duty cycles greater than 98%, 100% can be set depending on the requirement for a defined number of pulses. That is, in these cycles, the heater current is not turned off, in the other cycles, a duty cycle of a maximum of 98% is set. For example, results in 1 pulse with a duty cycle of 98% and 9 cycles with a
  • Pulse width modulation frequency while increasing the duty cycle value, which is dependent on the specified setpoint.
  • Switch-off duration or switch-on duration at maximum or minimum duty cycle the diagnosis is still guaranteed at all times.
  • the application can be less than 2% at low duty cycles. In this case, successive accounts
  • Switch-on phases i. over one or more cycles eliminates the switch-on.
  • the probe heating is improved without additional hardware costs due to high duty cycles.
  • improvements in the operation of exhaust gas sensor elements are also achieved.
  • Figure 2 shows an example of a temperature profile at high and at low
  • FIG. 3 shows an example of a profile of the voltage of the heating device over time at high heating power requirement and a limitation of the switching duration every 10 ms
  • FIG. 4 shows an example of a course of the current of the heating device over time at high heating power requirement and a limitation of the switching duration every 10 ms
  • Figure 5 shows an example of a curve of the voltage of the heater over time at high Wien elaborates office and a limitation of the switching duration every 500 ms, and
  • FIG. 6 shows an example of a course of the current of the heating device over time at high heating power requirement and a limitation of the switching duration every 500 ms
  • FIG. 1 shows an example of a sensor element 10 according to the invention for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space.
  • the sensor element 10 is shown schematically by a dashed line 12.
  • the sensor element 10 has at least one heating device 14 for heating at least part of the sensor element 10.
  • the heating device 14 may, for example, be a resistive heating device 14 and is shown schematically in FIG. 1 by an electrical resistor 16.
  • an electrical resistor 16 For example, that is
  • Sensor element 10 exemplary component of a lambda probe or is as
  • Lambda probe of a vehicle running may be part of the sensor element 10 in whole or in part.
  • the at least one heating device 14 may also be accommodated in the sensor element 10 in whole or in part in another way, for example as an external component.
  • the heater 14 may also be accommodated in the sensor element 10 in whole or in part in another way, for example as an external component.
  • the heater 14 may also be accommodated in the sensor element 10 in whole or in part in another way, for example as an external component.
  • the heater 14 may also be accommodated in the sensor element 10 in whole or in part in another way, for example as an external component.
  • the heater 14 may
  • a ceramic solid electrolyte for example in a layer structure of the ceramic solid electrolyte, as is the case for example in planar lambda probes in the rule.
  • the ceramic solid electrolyte for example in a layer structure of the ceramic solid electrolyte, as is the case for example in planar lambda probes in the rule.
  • Heating device 14 may be configured for example as a rod heater, as is usually the case for example with finger probes.
  • the sensor element 10 may be a sensor element 10 having at least one solid electrolyte of the type described above, in particular a ceramic solid electrolyte.
  • the sensor element 10 may in particular comprise one or more cells, for example two electrodes, which communicate with one another via the solid electrolyte.
  • the sensor element 10 may be configured as single-celled or multicellular.
  • reference may be made, for example, to the prior art described above. In principle, all types of sensor elements 10 can be used according to the invention, in particular ceramic sensor elements 10.
  • the sensor element 10 further comprises at least one drive device 18.
  • the drive device 18 is shown schematically by a dashed line 20.
  • the drive device 18 may be configured centrally or else decentralized and may be completely or partially software implemented and / or hardware implemented.
  • the drive device 18 can also be completely or partially implemented, for example, in a central motor control.
  • the drive device 18 may, for example, a sensor element drive device for driving and / or evaluating the
  • Sensor element 10 and of signals of the sensor element 10 include. to
  • the drive device 18 may further comprise, for example, at least one control device in which, for example, at least one controller may be included.
  • the drive device 18 may further comprise at least one control device.
  • the control device and the control device may together constitute a heater driving device 22.
  • the sensor element 10 has a diagnostic device 24.
  • the diagnostic device 24 may be a component that is separate from the drive device 18 or integrated into it.
  • the diagnostic device 24 is configured to be a
  • Monitoring of the sensor element 10 perform, in particular a monitoring of the heater 14.
  • the monitoring may include a check whether a short circuit to ground and battery of the vehicle is present.
  • Figure 1 is an example indicated by a point 26 at which the diagnostic device 24 detects a possible short circuit to ground.
  • the location 26 of the short circuit to ground is located at electrical connections 28 which electrically connect the heating device 14 to the drive device 18.
  • the electrical connections 28 are located inside a wiring harness and a plug 30, which are shown schematically by a dashed line 32.
  • the sensor element 10 can in particular with the property of a high
  • Heating power reserve can be realized, which could lead to the destruction of the sensor element 10 by overheating when heating in the generally allowable vehicle electrical system voltage range.
  • this sensor element 10 can be independent of
  • a temperature control and a temperature control can be combined.
  • control can be operated by means of a characteristic field, for example in which one or more control variables are detected, which characterize the influence of the surroundings of the sensor element 10 on the temperature of the sensor element 10.
  • a control can in particular be designed as a map feedforward control, which can be superimposed on said control.
  • Temperature control in particular a jump probe, in particular a
  • a controlled variable can basically be taken to mean any measured variable of the sensor element 10 which is of relevance for the temperature adjustment, in particular an electrical and / or thermal measured variable which correlates directly or indirectly with the temperature, ie a measured variable which inferences a conclusion current temperature of the sensor element 10 or a portion of the sensor element 10 allows.
  • the at least one controlled variable may in particular comprise one or more of the following control variables: at least one internal resistance of the sensor element, in particular an internal resistance of at least one electrochemical cell of the sensor
  • Sensor element ie a combination of at least two electrodes and at least one of the at least two electrodes connecting solid electrolyte; a temperature of the sensor element 10, which for example by means of a separate
  • Temperature sensor can be detected; a voltage between at least two electrodes of the sensor element O, in particular between at least two electrodes of a Nernst cell of the sensor element 10; a current between at least two electrodes of the sensor element 10, in particular between at least two electrodes of a pump cell of the sensor element 10; for example, a current at a fixed pump voltage; an electrical resistance of a conductive structure, in particular a conductive structure of the sensor element 10, for example an electrical resistance of a metal structure, for example an electrical
  • Controlled variables or combinations of the mentioned and / or other controlled variables are conceivable.
  • variables derived from this measured variable can also be used, for example interpolated, extrapolated, filtered, amplified, digitized or other values.
  • an actual value of the at least one controlled variable is understood to be a current value, ie a measured value or value of the controlled variable derived from the measured value, which was detected at the present time or at a time, which is preferably not more than a few seconds, for example not more than 10 Seconds, in particular not more than 5 seconds, preferably not more than 1 second or even not more than 100
  • At least one nominal value of the at least one controlled variable is determined.
  • a setpoint value is understood to mean a value of the controlled variable to which the controlled variable is given exactly or under specification of one or more Tolerance thresholds should be set. The determination of the setpoint can
  • this setpoint in particular be effected by this setpoint is provided by a device separate from the sensor element 10, for example, in which this setpoint is fixed or, as will be explained below, taking into account at least one control variable, the influence of an environment of the sensor element 10 on the temperature of the sensor element 10 is characterized, determined. Accordingly, for example, at least one can determine the setpoint
  • Data processing device and / or at least one electronic table and / or another type of device may be provided which determines the at least one desired value and provides for the method.
  • At least one manipulated variable of the heating device 14 is generated by means of at least one comparison of the setpoint and the actual value.
  • a manipulated variable is understood to be a variable, preferably an electrical signal and / or digital information, by means of which the heating device 14 can be controlled directly or indirectly.
  • This manipulated variable can thus, for example, a heating power, a heater voltage, wherein current or effective heater voltages can be used, a heating current or similar sizes include, by means of which the heater 14 can be applied directly.
  • the at least one manipulated variable may optionally also be configured such that it first has to be further processed before it can be used
  • Actuation of the heater 14 is used, for example, at least one actuator, such as at least one heater voltage generator and / or at least one amplifier, can be used.
  • At least one control step is carried out.
  • the parameter used in the proposed method checks and influences the at least one manipulated variable as a function of the check.
  • one or more of the abovementioned and / or further variables used in the method according to the invention can be used under a parameter used to adjust the temperature.
  • control parameters be used in the control and / or an optional superimposed and explained in more detail below control parameters, optionally also the manipulated variable itself. Examples of used for the adjustment of the temperature
  • a query will be understood as to whether the at least one parameter satisfies at least one predetermined condition or not.
  • one or more threshold conditions may be specified.
  • An influencing of the at least one manipulated variable as a function of the checking can be understood to be a direct or indirect influencing of the manipulated variable, for example by the manipulated variable or an upstream variable acting on the manipulated variable being specifically changed. The influence can include a change,
  • a single condition it is also possible to specify a plurality of conditions which, for example, also have different conditions
  • Influencing can be coupled. For example, several components of Influencing can be coupled. For example, several components of Influencing can be coupled. For example, several components of Influencing can be coupled. For example, several components of Influencing can be coupled. For example, several components of Influencing can be coupled. For example, several components of Influencing can be coupled. For example, several components of Influencing can be coupled. For example, several components of Influencing can be coupled. For example, several
  • the heating device 14 can be acted upon in particular by the at least one manipulated variable and / or by at least one further manipulated variable derived from the manipulated variable, for example by interposing one or more actuators.
  • the correction of the manipulated variable follows
  • control variable is to be understood to mean any variable which influences the environment of the
  • the control variable may comprise at least one of the following parameters: an ambient temperature of the sensor element, in particular a gas temperature, for example an exhaust gas temperature, in the sample gas space; an operating parameter of a device including, generating or using the gas, in particular an operating range of an internal combustion engine, preferably an engine operating point; a parameter that is one in the environment of the sensor element 10 occurring gas stream characterized, in particular quantified, for example, a volume flow and / or mass flow of the gas, for example, the exhaust gas; a parameter that characterizes and in particular quantifies a temperature occurring in the vicinity of the sensor element 10, in particular an exhaust gas temperature, a catalyst temperature and / or a tube wall temperature; an engine speed; an engine load condition.
  • This at least one control variable is already recorded in current exhaust systems in motor vehicles usually, for example
  • Engine operating points are detected by an engine control anyway and there also exhaust gas streams (mass flows and / or flow rates), for example, at a
  • Exhaust gas recirculation are of importance.
  • any parameters or combinations of such parameters that are already recorded can be used as control variables for the proposed method.
  • other parameters are alternatively or additionally applicable.
  • the internal resistance detected in this way can be used as the actual value of the at least one controlled variable of the sensor element 10 or as part of an actual value of the value.
  • the determined internal resistance can then be used for the regulation of the temperature.
  • the disadvantage associated with conventional control methods in the case of inaccurate or erroneous detection of the controlled variable is that the optimum operating temperature can be exceeded or undershot, or that even if the operating temperature is greatly exceeded
  • Damage to the sensor element can set, but can be avoided by the proposed control step. If, for example, permanently or temporarily an increased contact resistance occurs in the signal circuit of the sensor element 10, for example in the form of contacting problems, conventional temperature controls tend to adjust the high measured resistance to the smaller target resistance and thereby increase the heater voltage. As a result, the sensor element 10 is operated too hot, and the integrated in the sensor element 10
  • Heater 14 may burn out.
  • conventional heater 14 may burn out.
  • Sensor elements heated to a temperature of> 1 150 ° C if they are operated for a long time with a heater voltage of 1 1 V, resulting in the burning of the heater.
  • the regulation of the temperature provided which may be optionally modified or supported by one or more control variables, for example, from an engine control system
  • the heating device 14 is now controlled by means of at least one pulse width modulation for adjusting a setpoint temperature.
  • the heater driver 22 has an analog-to-digital converter 34.
  • FIG. 2 shows two examples of a temperature profile over time, of which the first example represents the temperature profile at a low pulse width modulation frequency, and the second example shows the temperature profile at high
  • Pulse width modulation frequency represents.
  • the time 36 is plotted on the X-axis and the temperature 38 is plotted on the Y-axis.
  • the setpoint temperature is marked with the reference numeral 40.
  • Heater 14 with a low pulse width modulation frequency is indicated by line 42, and a temperature profile when the heater 14 is driven at a high pulse width modulation frequency is indicated by line 44. As shown in FIG. 2, the target temperature 40 becomes low
  • Temperature fluctuations can be significantly reduced by a high pulse width modulation frequency, as can be seen by the temperature profile of the line 44.
  • an actual temperature of the setpoint temperature 40 can be approximated at a high pulse width modulation frequency for the activation of the heating device 14.
  • FIG. 3 shows an example of a profile of a voltage 46 of the heating device 14 over time 36 with a high heating power requirement and a limitation of the switching duration every 10 ms.
  • the time 36 is plotted in ms and on the y-axis is the
  • 48 denotes an upper threshold value of the voltage 46 and 50 a lower threshold value of the voltage 46.
  • the upper threshold 48 may be 10V and the lower threshold 50 may be 3V.
  • the pulse width modulation can in the example of Figure 3 a
  • Pulse width modulation frequency of 100 Hz have.
  • the control takes place with at least 100 pulse width modulation cycles per second.
  • the heater 14 is turned on and off at least 100 times per second.
  • at least 100 pulses per second are at the control in front.
  • a pulse width modulation period, denoted 52 in FIG. 3 may be 10 ms, for example.
  • Manufacturer specifications and / or statutory regulations require a diagnosis of the sensor element 10 and in particular the heating device 14 with a diagnostic frequency of at least 2 Hz. Accordingly, two
  • the diagnostic period is designated 54 in FIG. Consequently, the pulse width modulation frequency is higher than that
  • Diagnostic frequency here in this example by a factor of 50.
  • the diagnosis includes in the example of Figure 3 monitoring for short circuits to ground and battery.
  • the diagnosis includes the monitoring of the heating device 14 both in an on and off state.
  • the heating device 14 both in an on and off state.
  • Pulse width modulation periods 52 during one or more diagnostic periods 54 are performed.
  • the heating device is controlled by means of pulse width modulation.
  • the heating device 14 is switched off, the voltage 46 increases and the voltage 46 drops when it is switched on, since the heating device 14 is usually driven low-side, since this is simpler to implement in terms of circuitry.
  • the heater is turned off every 10 ms and the voltage 46 rises to, for example, 13V to 14V.
  • the switch-on duration of the heating device 14 is limited every 10 ms. At this time, the voltage 46 for diagnosing whether the heater 14 turns on and turns off properly is observed.
  • FIG. 4 shows an example of a course of an electric current 56 through the control device 22 over the time 36 at high heating power requirement and a
  • the example of Figure 4 shows the course of the current 56 at a voltage waveform according to the example of Figure 3 again.
  • the time 36 is plotted on the x-axis in ms, and the current on the y-axis is plotted in A.
  • 58 denotes an upper threshold value of the current 56 and 60 a lower threshold value of the current 56.
  • the upper threshold 58 can be
  • 1.5A and the lower threshold 60 may be 0.3A, for example.
  • the current 56 rises to approximately 3 A and drops to 0A when the heater 14 is switched off.
  • the current 56 for diagnosis is monitored as to whether the heater 14 switches on and off correctly. In the event of a short circuit to ground, the current 56 would not fall below the lower threshold value 60 when switching off, and in the event of a short circuit to the battery, the current 56 would not exceed the upper threshold value 58.
  • the pulse width modulation can have at least one pulse width modulation frequency, for example at least 100 Hz.
  • control takes place with at least 100
  • Pulse width modulation periods 52 per second are turned on and off at least 100 times per second. Thus, there are at least 100 pulses per second in the control.
  • Manufacturer specifications and / or statutory regulations require a diagnosis of the sensor element 10 and in particular the heating device 14 with a diagnostic frequency of at least 2 Hz. Accordingly, two diagnostic periods 54 per second are required. Consequently, the pulse width modulation frequency is higher than the diagnostic frequency, here in this example by at least a factor of 50.
  • the diagnosis can, for example, a
  • Monitoring for short circuits to ground and / or battery include, preferably monitoring for short circuits to ground and battery.
  • the pulse width modulation periods 52 may be performed during one or more diagnostic periods 54.
  • the minimum diagnostic frequency of 2 Hz for example, of the 100 pulse width modulation periods 52, 50 can be used
  • successive pulse width modulation periods 52 are driven so that, for example, the first 49 pulse width modulation periods 52 is performed with a duty cycle of 99.85%, whereas the fiftieth pulse width modulation period 52 is performed with a duty cycle of 98%. Consequently, the heater 14 is turned on and off for a sufficient time every 500 msec. Overall, then over the said 50 pulse width modulation periods 52 before a duty cycle of 99.8%. In the fiftieth of said 50 pulse width modulation period 52, the diagnosis now becomes the first and last 2% of the pulse width modulation period 52
  • Pulse Width Modulation Periods 54 are defined as the minimum switch-on duration and the minimum switch-off duration in order to be able to carry out the diagnosis reliably with regard to the monitoring of the switch-on behavior and the switch-off behavior.
  • the overall diagnostic period 54 is still 500 ms.
  • the diagnosis is carried out both with the heating device 14 switched on in order to monitor a short circuit for the battery and also with the heating device 14 switched off in order to monitor a short circuit to ground.
  • FIG. 5 shows an example of a profile of a voltage 46 of the heating device 14 over time 36 with a high heating power requirement and a limitation of the switching duration every 500 ms according to the method according to the invention.
  • the time 36 is plotted on the x-axis in ms, and the voltage on the y-axis is plotted in v.
  • an upper threshold of voltage 46 and at 50 a lower threshold of
  • the upper threshold 48 may be 10V and the lower threshold 50 may be 3V.
  • 5 pulse width modulation periods 54 are shown by way of example, in which the voltage 46 does not exceed the upper threshold value 48, since the heating device 14 is switched off only negligibly short, which corresponds to a duty cycle of almost 100%. Also shown in FIG. 5 is a pulse width modulation period 52 in which the voltage 46 rises to a peak value of approximately 13V to 14V since the heater 14 is turned off a little longer to provide a diagnosis when the heater 14 is off
  • This pulse width modulation period 52 corresponds to a duty cycle of 98%. Accordingly, the heater 14 is almost continuously turned on for 49.8 ms and turned off for 200 ⁇ 5. The crossing of the upper threshold 48 is marked by a circle 62 and indicates that there is no short circuit to ground. If shorted to ground, the voltage 46 would be the upper one
  • Threshold 48 does not exceed when switching off and in case of a short circuit to battery voltage 46 would not fall below the lower threshold 50.
  • FIG. 6 shows an example of a course of an electric current 56 through the
  • the example of FIG. 6 shows the course of the current 56 in the case of a voltage curve according to the example of FIG. 5.
  • the time 36 is plotted on the x-axis in ms, and the current on the y-axis is plotted in A.
  • 58 denotes an upper threshold value of the current 56 and 60 a lower threshold value of the current 56.
  • the upper threshold 58 can be
  • 1.5A and the lower threshold 60 may be 0.3A, for example.
  • the current 56 rises to approximately 3 A and drops to 0 A when the heater 14 is switched off.
  • the current 56 is used to diagnose whether the heater 14 switches on and off correctly.
  • the current 56 does not fall below the lower threshold value 60, since the heater 14 is switched off negligibly short, which corresponds to a duty cycle of almost 100%.
  • Pulse width modulation period 52 with a longer switched off heater 14 is marked by a circle 64 and indicates that there is no short circuit to ground. In the event of a short circuit to ground, the current 56 would not fall below the lower threshold value 60 when switching off, and in the event of a short circuit to the battery, the current 56 would not exceed the upper threshold value 58.
  • the method according to the invention during the diagnostic period 54, at least two pulse width modulation periods 52 are performed, wherein in at least one pulse width modulation period 52, a minimum duty cycle and a minimum duty cycle is set to perform the diagnosis.
  • the duration of diagnosis can be a proportion of a
  • Pulse width modulation period 52 of 2% or less, in which the
  • Heater 14 is turned on and off. In other words
  • Pulse width modulation periods 52 in which no minimum on-time and minimum off-time are determined and no diagnostics need to be performed, may vary depending on the operating state of the sensor element 10, i. in
  • the heating device 14 with electric current 56 and / or with electrical voltage 46 and / or in at least a portion of the pulse width modulation period 52 does not coincide electrical current 56 and / or electrical voltage 46 applied.
  • the heating device 14 is supplied with electrical current 56 and / or electrical voltage 46 for at least the duration of the diagnosis and is not exposed to electrical current 56 and / or electrical voltage 46 for at least the duration of the diagnosis.
  • the diagnostic duration corresponds to the minimum switch-on duration and the minimum switch-off duration.
  • the heater device 14 is turned on continuously, while in the remaining
  • Pulse width modulation periods 52 but at least in another
  • Pulse width modulation period 52 as the one in which the diagnosis is performed, the heater 14 is not turned on for at least the diagnostic duration. The diagnosis is then carried out only in the remaining pulse width modulation periods 52.
  • the application is carried out at low duty cycles of less than 2%.
  • successive switch-on phases of the heating device 14 are dispensed with.
  • the switch-on phase is omitted over one or more cycles.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ansteuerung und Diagnose eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) weist mindestens eine Heizvorrichtung (14) auf. Das Verfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte: Ansteuern der Heizvorrichtung (14) mittels mindestens einer Pulsweitenmodulation, wobei die Pulsweitenmodulation mit mindestens einer Pulsweitenmodulationsfrequenz durchgeführt wird, und Festlegen einer minimalen Einschaltdauer und einer minimalen Abschaltdauer der Heizvorrichtung (14) mit einer Diagnosefrequenz, wobei sich die Pulsweitenmodulationsfrequenz von der Diagnosefrequenz unterscheidet.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Ansteuerung und Diagnose eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Sensorelementen zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um eine beliebige Eigenschaft des Gases handeln, beispielsweise eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Gases. Insbesondere wird die Erfindung im Folgenden beschrieben unter Bezugnahme auf Sensorelemente zur Erfassung eines Anteils, also beispielsweise eines Partialdrucks und/oder eines
Prozentsatzes, mindestens einer Gaskomponente in dem Gas. Bei der Gaskomponente kann es sich insbesondere um Sauerstoff handeln. Auch andere Gaskomponenten können jedoch alternativ oder zusätzlich nachgewiesen werden, beispielsweise
Stickoxide, Kohlenwasserstoffe oder andere Gaskomponenten. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Nachweis von Gaskomponenten beschränkt, sondern es können grundsätzlich, alternativ oder zusätzlich, auch andere Eigenschaften des Gases nachgewiesen werden.
Zum Nachweis von Gaskomponenten werden insbesondere Sensorelemente eingesetzt, welche auf der Verwendung mindestens eines Festelektrolyten, also eines ionenleitenden Festkörpers, beispielsweise eines Sauerstoffionen leitenden Festkörpers, basieren. Derartige Festelektrolyte können beispielsweise auf Zirkoniumdioxid-Basis erstellt werden, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder Scandium- dotiertes Zirkoniumdioxid. Derartige Sensorelemente werden beispielsweise im
Kraftfahrzeugbereich eingesetzt, um Gaskomponenten im Abgas einer
Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Motor nachzuweisen. Beispiele derartiger Sensorelemente sind in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160-165 beschrieben. Die dort dargestellten Sensorelemente können grundsätzlich auch nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben werden und/oder im Rahmen eines erfindungsgemäßen Sensorelements eingesetzt werden. Beispielsweise können derartige Sensorelemente als Lambdasonden ausgeführt werden. Eine Lambdasonde beruht in der Regel auf der Verwendung mindestens einer galvanischen Sauerstoffkonzentrationszelle mit mindestens einem Festelektrolyten. Alternativ oder zusätzlich können auch sogenannte Pumpzellen eingesetzt werden. Lambdasonden können einen einzelligen oder auch einen
mehrzelligen Aufbau aufweisen, wobei ebenfalls exemplarisch auf den genannten Stand der Technik verwiesen werden kann. Mit Breitband-Lambda-Sonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambda-Sonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff- Verhältnis.
In der Regel weisen derartige Sensorelemente mindestens eine Heizvorrichtung auf. So wird der Festelektrolyt typischerweise bei einer Aktivierungstemperatur von ca. 350°C für Sauerstoffionen leitend. Die Betriebstemperatur üblicher Lambdasonden liegt in der Regel deutlich höher, beispielsweise bei 650°C-850°C. Um die Betriebstemperatur unabhängig von den Umgebungsbedingungen, beispielsweise der Temperatur des Abgases, zu erreichen, wird das Sensorelement in der Regel aktiv elektrisch beheizt. Aus diesem Grund verfügen die meisten Sensorelemente der genannten Art über mindestens ein elektrisches Heizelement, welches im Folgenden allgemein auch als Heizvorrichtung bezeichnet wird und welches in der Regel von mindestens einem Steuergerät angesteuert wird. Beispielsweise weisen bekannte Lambdasonden auf Zirkoniumdioxid-Basis einen integrierten Platin-Heizer auf, der in der Regel so ausgelegt ist, dass dieser unter normalen Betriebsbedingungen eine größere Heizleistungsreserve aufweist. Dies bedeutet, dass die für den Betrieb des Sensorelements erforderliche Heizerspannung oder Heizleistung in der Regel deutlich kleiner ist als die zur Verfügung stehende
Versorgungsspannung oder Versorgungsleistung. Beispielsweise werden bei typischen Sensorelementen der oben genannten Art Betriebstemperaturen von 780°C bereits mit Heizerspannungen von weniger als 8 V erreicht. In vielen Fällen wird das Sensorelement dabei nicht mit einer Gleichspannung sondern mit einer getakteten Effektivspannung betrieben, die durch Pulsweitenmodulation einer höheren Gleichspannung
(Batteriespannung) erzeugt wird. Dementsprechend kann unter dem Begriff einer
Heizerspannung im Folgenden sowohl die tatsächliche Spannung verstanden werden, mit welcher die Heizvorrichtung beaufschlagt wird, als auch alternativ eine effektive
Spannung. Das Ausgangssignal eines Sensorelements der oben genannten Art ist in der Regel funktional stark abhängig von der Temperatur des Sensorelements. Zur Verbesserung der Signalgenauigkeit ist es daher anzustreben, die Temperatur des Sensorelements von Änderungen der Abgastemperatur zu entkoppeln und möglichst konstant zu halten. Üblich ist zum Beispiel eine Temperatursteuerung der Heizerspannung einer Sprungsonde über ein betriebspunktabhängiges Kennfeld mit den Eingangsgrößen einer Abgastemperatur und einem Abgasmassenstrom. Eine erhöhte Temperaturgenauigkeit ergibt sich durch eine Temperaturregelung des Sensorelements. Als Regelgröße kann zum Beispiel ein Innenwiderstand des Sensorelements verwendet werden, beispielsweise mindestens einer Zelle des Sensorelements, da in der Regel ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Innenwiderstand und der Temperatur des Sensorelements besteht.
Beispielsweise entspricht bei kommerziell erhältlichen Sprungsonden ein Innenwiderstand von 220 Ω einer Sensorelementtemperatur von 780°C. Eine entsprechende
Temperaturregelung kommt auch in Breitbandsonden zum Einsatz.
Die Betriebstemperatur des Sensorelements soll unabhängig von der Abgastemperatur einstellbar sein, um die Signalgenauigkeit weiter zu erhöhen und damit wiederum geringere Emissionen und robustere Diagnosen zu ermöglichen. Gleichzeitig soll eine Ansteuerung mit einer hohen Heizleistungsreserve möglich sein, ohne dass die Gefahr der Zerstörung des Sensorelements durch eine Überhitzung bei Beheizung im
grundsätzlich zusätzlichen Bordnetzspannungsbereich besteht. Weiterhin soll das Sensorelement einer Abgassonde bei möglichst konstanter Temperatur betreibbar sein und gleichzeitig vor Überhitzung geschützt werden.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Ansteuerung von Sensorelementen beinhalten diese noch Verbesserungspotential. So wird die Heizvorrichtung üblicherweise mittels der oben genannten Pulsweitenmodulation angesteuert, die beispielsweise aus dem Fahrzeugbordnetz realisiert wird. Grundsätzlich muss jederzeit der Zustand des Heizersystems überwacht werden. Dies ist die
sogenannte On Board Diagnose (OBD). Aus diesem Grund ist der Bereich möglicher Tastverhältnisse üblicherweise auf eine Einschaltdauer der Heizvorrichtung von 2% bis 98% beschränkt. Die verbleibende Pulspause bzw. Einschaltphase ist zur Durchführung der Diagnose erforderlich. Um sowohl Kurzschlüsse nach Masse als auch nach Batterie erkennen zu können, muss die Heizerendstufe sowohl einschalten als auch abschalten. Bei extremen Tastverhältnissen von 0% bzw. 100% ist dies nicht gegeben. Da gesetzlich eine minimale Frequenz dieser Prüfung gefordert ist, dürfen diese extremen Tastverhältnisse nicht eingestellt werden. Außerdem ist bei sehr kleine Tastverhältnissen kleiner 2% die effektive Heizleistung nicht mehr genau einstellbar. Bei solch kleinen Einschaltzeiten bewirkt die Flankensteilheit der Endstufe einen großen relativen Fehler in der eingestellten Heizleistung. Diese Beschränkung des Bereichs des Tastverhältnisses ist jedoch ungünstig, da kleinere Tastverhältnisse für einige Funktionen notwendig, aber nicht realisierbar sind. Des Weiteren kann sehr oft in Fahrzeug-Applikationen die vorgegebene Sondentemperatur nicht eingehalten werden, weil ein Tastverhältnis von 98% nicht ausreicht, um die Betriebstemperatur zu erreichen. Entsprechend gibt es bei den herkömmlichen Sensorelementen Zeitpunkte, zu denen die Betriebstemperatur nicht erreicht wird, da zu diesen Zeitpunkten eine Diagnose durchgeführt wird.
Offenbarung der Erfindung Zur Verbesserung bekannter Sensorelemente und Verfahren zur Ansteuerung und
Diagnose dieser Sensorelemente sowie zur zumindest teilweisen Realisierung der oben genannten Ziele werden dementsprechend ein Verfahren zur Ansteuerung und Diagnose eines mittels einer Heizvorrichtung beheizbaren Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Wie oben beschrieben, kann die Erfassung der mindestens einen Eigenschaft insbesondere eine Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponenten in dem Gas sein. Bei der
Gaskomponente kann es sich insbesondere um eine oder mehrere der Gaskomponenten Sauerstoff, Stickstoff, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe oder andere Komponenten handeln. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Abgas handeln, insbesondere ein Abgas einer Verbrennungsmaschine, und bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt, beispielsweise einen Abgastrakt in einem Kraftfahrzeug. Auch andere
Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.
Das Verfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte:
- Ansteuern der Heizvorrichtung mittels mindestens einer Pulsweitenmodulation, wobei die Pulsweitenmodulation mit mindestens einer
Pulsweitenmodulationsfrequenz durchgeführt wird, und
- Festlegen einer minimalen Einschaltdauer und einer minimalen Abschaltdauer der Heizvorrichtung mit einer Diagnosefrequenz, wobei sich die
Pulsweitenmodulationsfrequenz von der Diagnosefrequenz unterscheidet. Die Pulsweitenmodulationsfrequenz kann höher als die Diagnosefrequenz sein. Die Pulsweitenmodulationsfrequenz kann ein ganzzahliges Vielfaches der Diagnosefrequenz sein, insbesondere ein Faktor von mindestens 50, d.h. die
Pulsweitenmodulationsfrequenz kann mindestens 50 mal höher als die Diagnosefrequenz sein. Die minimale Einschaltdauer und die minimale Abschaltdauer können für mindestens eine Pulsweitenmodulationsperiode mit der Diagnosefrequenz festgelegt werden und für die verbleibenden Pulsweitenmodulationspenoden kann eine längere oder kürzere Einschaltdauer festgelegt werden. Die minimale Einschaltdauer kann für mindestens eine Pulsweitenmodulationsperiode mit der Diagnosefrequenz festgelegt werden und für die verbleibenden Pulsweitenmodulationspenoden kann die
Heizvorrichtung nicht eingeschaltet werden. Die minimale Einschaltdauer kann für mindestens eine Pulsweitenmodulationsperiode mit der Diagnosefrequenz festgelegt werden und für die verbleibenden Pulsweitenmodulationspenoden kann die
Heizvorrichtung durchgehend eingeschaltet werden. Die minimale Einschaltdauer und die minimale Abschaltdauer können jeweils einen Anteil einer Pulsweitenmodulationsperiode von weniger als 2 % umfassen. In mindestens einem Anteil, wie beispielsweise ein Tastverhältnis, insbesondere 0 % bis 100 %, der Pulsweitenmodulationsperiode kann die Heizvorrichtung mit elektrischem Strom und/oder mit elektrischer Spannung und/oder in mindestens einem Anteil der Pulsweitenmodulationsperiode nicht mit elektrischem Strom und/oder elektrischer Spannung beaufschlagt werden. Durch die Diagnose kann die
Heizvorrichtung überwacht werden. Während der Diagnose kann die Heizvorrichtung mit elektrischem Strom und/oder elektrischer Spannung beaufschlagt werden oder nicht mit elektrischem Strom und/oder nicht mit elektrischer Spannung beaufschlagt werden. Die Pulsweitenmodulationsfrequenz kann von 2 Hz bis 2 kHz, bevorzugt von 20 Hz bis 200 Hz und besonders bevorzugt 100 Hz, sein, wobei die Diagnosefrequenz von 1 Hz bis 2 kHz, bevorzugt von 1 Hz bis 10 Hz und besonders bevorzugt 2 Hz, sein kann. Die minimale Einschaltdauer und die minimale Abschaltdauer, die der Diagnosedauer entsprechen, können jeweils von 2 s bis 20 ms, bevorzugt 20 μ5 bis 2 ms und besonders bevorzugt 200 μβ, sein.
Unter einer Diagnose ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Überwachung des Sensorelements zu verstehen, insbesondere eine Überprüfung auf Kurzschlüsse der elektrischen Schaltkreise, wie beispielsweise Kurzschlüsse nach Masse als auch nach Batterie einer Heizvorrichtung. Während des Fahrbetriebes eines Fahrzeugs werden beispielsweise alle abgasbeeinflussenden Systeme überwacht, zusätzlich weitere wichtige Steuergeräte, deren Daten durch ihre Software zugänglich sind. Auftretende Fehler können dem Fahrer über eine Kontrollleuchte angezeigt und im jeweiligen
Steuergerät dauerhaft gespeichert werden. Fehlermeldungen können dann später durch eine Fachwerkstatt über genormte Schnittstellen abgefragt werden. Diagnosen
beobachten beispielsweise das elektrische Verhalten des Heizerkreises. Für eine vollständige elektrische Diagnose ist eine ausreichend lange Beobachtung des
elektrischen Zustande sowohl während der Anschaltung der Heizvorrichtung als auch während der Abschaltung der Heizvorrichtung über mindestens eine
Pulsweitenmodulationspenode notwendig. Dazu ist es notwendig, dass die Anschaltdauer der Heizvorrichtung die minimale Diagnosedauer nicht unterschreitet. Damit beide Zustände beobachtet werden können, darf die Heizvorrichtung aber auch für die minimale Diagnosedauer nicht eingeschaltet werden, um ein korrektes Abschaltverhalten überprüfen zu können. Die Ansteuerdauer der Heizvorrichtung darf also eine maximale Zeit nicht überschreiten, die sich aus der Pulsweitenmodulationsperiodendauer vermindert um die minimale Diagnosedauer zusammensetzt. Deswegen darf während einer
Diagnose ein minimales Tastverhältnis nicht unterschritten und ein maximales
Tastverhältnis nicht überschritten werden. Die minimale Einschaltdauer und die minimale Abschaltdauer sind gemäß diesen Ausführungen technisch bedingt und werden unter anderem durch das Reaktionsverhalten der technischen Geräte zur Steuerung des Sensorelements und der Heizvorrichtung vorgegeben. Insbesondere kann eine sichere Diagnoseaussage erst nach einer bestimmten Dauer getroffen werden, damit
beispielsweise beobachtete Werte einer Spannung und/oder eines Stroms über die Zeit gesehen ausreichend Zeit haben, vorgegebene Schwellwerte für eine bestimmte Dauer zu überschreiten oder zu unterschreiten und sich auf diese Weise von anderen Werten der Spannung oder des Stroms zu anderen Zeitpunkten unterscheiden lassen.
Beispielsweise steigt die an die Heizvorrichtung angelegte Spannung beim Abschalten. Zum Überprüfen eines korrekten Abschaltens benötigt die Spannung eine bestimmte Zeitdauer aufgrund der Trägheit der elektrischen Bestandteile des Sensorelements, um auf ihren Maximalwert zu steigen, der oberhalb eines Schwellwerts liegt. Erst bei
Überschreiten des Schwellwerts für eine bestimmte Zeitdauer kann bei diesem Beispiel eine Diagnoseaussage derart getroffen werden, dass die Heizvorrichtung korrekt abschaltet, da sich der Maximalwert von anderen Zeitpunkten ausreichend unterscheidet, in denen die Heizvorrichtung für einen Zeitraum kleiner als die für die Diagnose erforderliche minimale Abschaltdauer abgeschaltet wird. Unter einer Pulsweitenmodulation ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine
Modulationsart zu verstehen, bei der eine technische Größe, wie beispielsweise der elektrische Strom, die Spannung und/oder die elektrische Leistung, zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird bei konstanter Frequenz das Tastverhältnis des Signales moduliert, also die Breite eines Impulses. Ein Pulsweitenmodulationssignal wird allgemein über einen Tiefpass demoduliert. Die resultierende demodulierte technische Größe entspricht dem arithmetischen Mittelwert und damit der mittleren Höhe der Fläche unter der modulierten Größe, mathematisch bestimmt aus dem Integral über eine ganze Zahl von Perioden, geteilt durch die Dauer der Integration. Insbesondere ist die
Pulsweitenmodulation eine Modulationsart, bei der die Heizvorrichtung ständig
eingeschaltet und abgeschaltet wird. Je länger die Einschaltzeit gegenüber der
Periodendauer ist, umso höher die mittlere Heizleistung. Die Temperatur des beheizten Sensorelements kann daher bei entsprechender Periodenanzahl einer bestimmten Solltemperatur angenähert werden, wie beispielsweise der Betriebstemperatur.
Unter einem Tastverhältnis ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Verhältnis der Impulsdauer zur Impulsperiodendauer zu verstehen. Das Tastverhältnis wird als dimensionslose Verhältniszahl mit einem Wert von 0 bis 1 oder 0 % bis 100 %
angegeben. Durch Variation des Tastgrades lässt sich beispielsweise der arithmetische Mittelwert der elektrischen Spannung an der Heizvorrichtung des Sensorelements ändern. Da diese Einstellung aufgrund des Schaltens nahezu ohne Verlustleistung erfolgt, ist diese digitaltechnische Methode eine verbreitete Methode zur Steuerung elektrischer Spannung und Leistung. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist dabei insbesondere der prozentuale Anteil zu verstehen, in dem die Heizvorrichtung im Verhältnis zu einer gesamten Periode aus eingeschalteter und abgeschalteter Heizvorrichtung eingeschaltet ist.
Das erfindungsgemäße Sensorelement kann insbesondere mindestens ein zusätzliches Element umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: eine Nernstzelle, eine Pumpzelle, eine Heizvorrichtung. Zur Erzielung einer Breitband-Messung der
Luftkennzahl λ kann das Sensorelement insbesondere als Breitband-Lambda-Sonde mit Pump- und Nernstzelle entweder als Magersonde nach dem Grenzstromprinzip oder als Sprungsonde mit gepumpter Referenz betrieben werden. Die Heizvorrichtung kann insbesondere zur Regelung der Temperatur des Sensorelements, insbesondere von Teilen des Sensorelements, dienen. Die Heizvorrichtung kann vorzugsweise der
Verbesserung der katalytischen Aktivität der Elektrode oder Elektroden und/oder zur Einstellung eines Innenwiderstands des Sensorelements und/oder von Teilen desselben dienen. Beispielsweise kann die Heizvorrichtung als Platin-Heizer ausgebildet sein oder einen Platin-Heizer umfassen, der in der Regel so ausgelegt ist, dass dieser unter normalen Betriebsbedinungen eine größere Heizleistungsreserve aufweist. Dies bedeutet, dass die für den Betrieb des Sensorelements erforderliche Heizerspannung oder
Heizleistung in der Regel deutlich kleiner ist als die zur Verfügung stehende
Versorgungsspannung oder Versorgungsleistung. Beispielsweise werden bei typischen Sensorelementen der oben genannten Art Betriebstemperaturen von 780°C bereits mit Heizerspannungen von weniger als 8 V erreicht. Diese Reserve ist notwendig, da in ungünstigen Betriebspunkten für eine bestimmte Zeit, wie beispielsweise 10 s, eine sehr hohe effektive Heizspannung von 99% bis nahezu 100% der Versorgungsspannung notwendig sein kann. Ebenso kann es bei schnellen Betriebspunktänderungen notwendig sein, für kurze Zeit, wie beispielsweise 1 s bis 3 s, eine sehr geringe Heizspannung von nahezu 0 V einzustellen, damit die Temperatur des Sensorelements nicht unzulässig hoch wird. Die Heizvorrichtung kann beispielsweise in das Sensorelement und insbesondere in den Festelektrolyten integriert sein.
Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Festkörper mit ionenleitenden Eigenschaften zu verstehen, beispielsweise mit Sauerstoffionen leitenden Eigenschaften. Derartige Festelektrolyte können beispielsweise auf
Zirkoniumdioxid-Basis erstellt werden, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes
Zirkoniumdioxid und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid.
Unter einer Diagnosefrequenz ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Anzahl von Diagnoseperioden pro Sekunde zu verstehen. Unter einer Pulsweitenmodulationsfrequenz ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Anzahl von Pulsweitenmodulationsperioden pro Sekunde zu verstehen.
Unter einer Einstellung einer Temperatur kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Einstellung auf eine fest vorgegebene oder auch auf eine variabel vorgegebene Temperatur verstanden werden, wobei auch Temperaturverläufe vorgebbar sind. Unter einer Einstellung kann, wie unten noch näher ausgeführt wird, eine Steuerung und/oder eine Regelung der Temperatur subsummiert werden. Die Heizvorrichtung kann insbesondere eine resistive Heizvorrichtung umfassen, also beispielsweise mindestens einen Heizwiderstand, welcher beispielsweise durch Beaufschlagung mit einer
Heizerspannung und/oder einem Heizerstrom resistiv beheizbar sein kann. Ein Gedanke der Erfindung ist, das Sensorelement gegenüber einer relativ niedrigen Mindest-Diagnosefrequenz, wie beispielsweise 2Hz, mit einer vergleichsweisen sehr hohen Pulsweitenmodulationsfrequenz, wie beispielsweise 100Hz, anzusteuern. Mit anderen Worten, wird eine Diagnose nicht während jeder Pulsweitenmodulationsperiode durchgeführt, sondern beispielsweise nur bei mindestens zwei
Pulsweitenmodulationsperioden pro Sekunde. Für Soll-Tastverhältnisse größer als 98% können in Abhängigkeit der Anforderung für eine definierte Zahl von Pulsen 100% eingestellt werden. Das heißt, in diesen Zyklen wird der Heizerstrom nicht abgeschaltet, in den anderen Zyklen wird ein Tastverhältnis von maximal 98% eingestellt. Beispielsweise ergibt sich bei 1 Puls mit einem Tastverhältnis von 98% und 9 Zyklen mit einem
Tastverhältnis von 100% ein maximales Tastverhältnis von 99,8% anstelle der herkömmlichen 98%. Technisch entspricht dies einer variablen Absenkung der
Pulsweitenmodulationsfrequenz bei gleichzeitiger Anhebung des Tastverhältnis-Werts, die vom vorgegebenen Sollwert abhängig ist. Durch Beibehaltung der üblichen
Ausschaltdauer bzw. Einschaltdauer bei maximalen oder minimalen Tastverhältnis ist die Diagnose weiterhin jederzeit gewährleistet. Analog kann die Anwendung bei niedrigen Tastverhältnissen kleiner als 2%. erfolgen In diesem Fall entfallen sukzessive
Einschaltphasen, d.h. über einen oder mehrere Zyklen hinweg entfällt die Einschaltphase. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Sondenbeheizung ohne zusätzliche Hardware-Kosten aufgrund hoher Tastverhältnisse verbessert. Somit werden auch Verbesserungen im Betrieb von Abgassensorelementen erzielt. Ebenso wird eine
Nutzung des Bereichs sehr kleiner Tastverhältnisse möglich. Auch wird eine erheblich verbesserte Reproduzierbarkeit bei kleinen Tastverhältnissen trotz des Zielkonflikts zwischen den Anforderungen der elektromagnetischen Verträglichkeit und der
Sondenheizung erzielt. Hier werden mit üblicher Hardware große Streuungen befürchtet. Dies gilt insbesondere für den Bereich der Nutzfahrzeuge mit hoher Bordnetzspannung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten und Merkmale optionaler Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements und dessen elektrische Verbindung mit einem Steuergerät,
Figur 2 ein Beispiel für einen Temperaturverlauf bei hoher und bei niedriger
Pulsweitenmodulationsfrequenz über die Zeit,
Figur 3 ein Beispiel für einen Verlauf der Spannung der Heizvorrichtung über die Zeit bei hohem Heizleistungsbedarf und einer Limitierung der Schaltdauer alle 10 ms,
Figur 4 ein Beispiel für einen Verlauf des Stroms der Heizvorrichtung über die Zeit bei hohem Heizleistungsbedarf und einer Limitierung der Schaltdauer alle 10 ms,
Figur 5 ein Beispiel für einen Verlauf der Spannung der Heizvorrichtung über die Zeit bei hohem Heizleistungsbedarf und einer Limitierung der Schaltdauer alle 500 ms, und
Figur 6 ein Beispiel für einen Verlauf des Stroms der Heizvorrichtung über die Zeit bei hohem Heizleistungsbedarf und einer Limitierung der Schaltdauer alle 500 ms,
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäßes Sensorelement 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Das Sensorelement 10 ist schematisch durch eine gestrichelte Linie 12 dargestellt. Im Rahmen der Erfindung weist das Sensorelement 10 mindestens eine Heizvorrichtung 14 zur Beheizung zumindest eines Teils des Sensorelements 10 auf. Die Heizvorrichtung 14 kann beispielsweise eine resistive Heizvorrichtung 14 sein und ist in Figur 1 durch einen elektrischen Widerstand 16 schematisch dargestellt. Beispielsweise ist das
Sensorelement 10 exemplarischer Bestandteil einer Lambdasonde oder ist als
Lambdasonde eines Fahrzeugs ausgeführt. Beispielsweise kann die mindestens eine Heizvorrichtung 14 ganz oder teilweise Bestandteil des Sensorelements 10 sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Heizvorrichtung 14 jedoch auch ganz oder teilweise in anderer Weise in dem Sensorelement 10 aufgenommen sein, beispielsweise als externes Bauteil. Im ersten Fall kann die Heizvorrichtung 14
beispielsweise in einen keramischen Festelektrolyten integriert sein, beispielsweise in einen Schichtaufbau des keramischen Festelektrolyten, wie dies beispielsweise bei planaren Lambdasonden in der Regel der Fall ist. Im zweiten Fall kann die
Heizvorrichtung 14 beispielsweise als Stäbchenheizer ausgestaltet sein, wie dies beispielsweise bei Fingersonden in der Regel der Fall ist.
Beispielsweise kann das Sensorelement 10 ein Sensorelement 10 mit mindestens einem Festelektrolyten der oben beschriebenen Art sein, insbesondere einem keramischen Festelektrolyten. Das Sensorelement 10 kann insbesondere eine oder mehrere Zellen umfassen, also beispielsweise zwei Elektroden, welche über den Festelektrolyten miteinander in Verbindung stehen. Das Sensorelement 10 kann einzellig oder auch mehrzellig ausgestaltet sein. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen des Sensorelements 10 kann beispielsweise auf den oben beschriebenen Stand der Technik verwiesen werden. Grundsätzlich sind alle Arten von Sensorelementen 10 erfindungsgemäß einsetzbar, insbesondere keramische Sensorelemente 10.
Das Sensorelement 10 umfasst weiterhin mindestens eine Ansteuervorrichtung 18. Die Ansteuervorrichtung 18 ist durch eine gestrichelte Linie 20 schematisch dargestellt. Die Ansteuervorrichtung 18 kann zentral oder auch dezentral ausgestaltet sein und kann vollständig oder teilweise Software-implementiert und/oder Hardware-implementiert sein. Die Ansteuervorrichtung 18 kann auch ganz oder teilweise beispielsweise in eine zentrale Motorsteuerung implementiert sein. Die Ansteuervorrichtung 18 kann beispielsweise eine Sensorelement-Ansteuervorrichtung zum Ansteuern und/oder Auswerten des
Sensorelements 10 bzw. von Signalen des Sensorelements 10 umfassen. Zur
Implementierung des genannten Verfahrens kann die Ansteuervorrichtung 18 weiterhin beispielsweise mindestens eine Regelvorrichtung umfassen, in welcher beispielsweise mindestens ein Regler enthalten sein kann. Zur Überlagerung einer optionalen Steuerung kann die Ansteuervorrichtung 18 weiterhin mindestens eine Steuervorrichtung umfassen. Die Regelvorrichtung und die Steuervorrichtung können zusammen eine Heizvorrichtung- Ansteuervorrichtung 22 bilden.
Ferner weist das erfindungsgemäße Sensorelement 10 eine Diagnosevorrichtung 24 auf. Die Diagnosevorrichtung 24 kann ein von der Ansteuervorrichtung 18 separates Bauteil oder in diese integriert sein. Die Diagnosevorrichtung 24 ist eingerichtet, um eine
Überwachung des Sensorelements 10 durchzuführen, insbesondere eine Überwachung der Heizvorrichtung 14. Die Überwachung kann dabei eine Überprüfung umfassen, ob ein Kurzschluss nach Masse und nach Batterie des Fahrzeugs vorliegt. In Figur 1 ist exemplarisch eine Stelle 26 angegeben, an der die Diagnosevorrichtung 24 einen möglichen Kurzschluss nach Masse erfasst. Die Stelle 26 des Kurzschlusses nach Masse befindet sich in diesem Beispiel an elektrischen Verbindungen 28, die die Heizvorrichtung 14 mit der Ansteuervorrichtung 18 elektrisch verbinden. Beispielsweise befinden sich die elektrischen Verbindungen 28 im Inneren eines Kabelbaums und eines Steckers 30, die schematisch durch eine gestrichelte Linie 32 dargestellt sind.
Das Sensorelement 10 kann insbesondere mit der Eigenschaft einer hohen
Heizleistungsreserve realisiert werden, die zur Zerstörung des Sensorelements 10 durch Überhitzung bei Beheizung im grundsätzlich zulässigen Bordnetzspannungsbereich führen könnte. Dieses Sensorelement 10 kann jedoch unabhängig vom
Motorbetriebspunkt bei konstanter Temperatur betrieben werden und gleichzeitig derart eingerichtet sein, dass das Sensorelement 10 vor einer Überhitzung geschützt werden kann. Das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren lässt sich
grundsätzlich auf alle aktiv beheizten und temperaturgeregelten oder
temperaturgesteuerten Abgassensoren anwenden.
Um die Sensorelementtemperatur möglichst konstant zu halten, können insbesondere eine Temperatursteuerung und eine Temperaturregelung kombiniert werden.
Beispielsweise kann die Steuerung mittels eines Kennfeldes betrieben werden, beispielsweise in dem ein oder mehrere Steuergrößen erfasst werden, die den Einfluss der Umgebung des Sensorelements 10 auf die Temperatur des Sensorelements 10 charakterisieren. Eine derartige Steuerung kann insbesondere als Kennfeldvorsteuerung ausgestaltet sein, welcher die genannte Regelung überlagert sein kann. Eine derartige Überlagerung einer Steuerung mit einer Regelung bietet den Vorteil der hohen
Genauigkeit einer Regelung, kombiniert mit einer schnellen Reaktion auf Änderungen des Motorbetriebspunkts, beispielsweise bei abrupten Lastwechseln, durch die vorzugsweise betriebspunktabhängige Steuerungen. Dadurch werden hohe Reglerhübe vermieden, und die Regelung kann beispielsweise lediglich zur Korrektur einer Steuer-Stellgröße, die durch die Steuerung erzeugt wird, eingesetzt werden. Dieses Verfahren kann allgemein zu einer verbesserten Temperaturstabilisierung eingesetzt werden. Für die
Temperaturregelung, insbesondere einer Sprungsonde, kann insbesondere ein
Innenwiderstand einer Nernstzelle durch einen kurzzeitigen Strompuls zwischen Mess- und Referenzelektrode des Sensorelements 10 gemessen werden. In einem ersten Schritt wird beispielsweise mindestens ein Istwert mindestens einer Regelgröße des Sensorelements 10 erfasst. Unter einer Regelgröße kann dabei grundsätzlich eine beliebige Messgröße des Sensorelements 10 verstanden werden, welche für die Temperatureinstellung von Relevanz ist, insbesondere eine elektrische und/oder thermische Messgröße, welche direkt oder indirekt mit der Temperatur korreliert, also eine Messgröße, welche einen Rückschluss auf eine aktuelle Temperatur des Sensorelements 10 oder eines Bereichs des Sensorelements 10 ermöglicht. Die mindestens eine Regelgröße kann insbesondere eine oder mehrere der folgenden Regelgrößen umfassen: mindestens einen Innenwiderstand des Sensorelements, insbesondere einen Innenwiderstand mindestens einer elektrochemischen Zelle des
Sensorelements, also einer Kombination aus mindestens zwei Elektroden und mindestens einem die mindestens zwei Elektroden verbindenden Festelektrolyten; eine Temperatur des Sensorelements 10, welche beispielsweise mittels eines separaten
Temperatursensors erfassbar sein kann; eine Spannung zwischen mindestens zwei Elektroden des Sensorelementsl O, insbesondere zwischen mindestens zwei Elektroden einer Nernstzelle des Sensorelements 10; einen Strom zwischen mindestens zwei Elektroden des Sensorelements 10, insbesondere zwischen mindestens zwei Elektroden einer Pumpzelle des Sensorelements 10; beispielsweise einen Strom bei einer fest vorgegebenen Pumpspannung; einen elektrischen Widerstand einer leitenden Struktur, insbesondere einer leitenden Struktur des Sensorelements 10, beispielsweise einen elektrischen Widerstand einer Metallstruktur, beispielsweise einen elektrischen
Widerstand einer Zuleitung und/oder eines metallischen Mäanders. Auch andere
Regelgrößen oder Kombinationen der genannten und/oder andere Regelgrößen sind denkbar. Anstelle der eigentlichen Messgröße können auch aus dieser Messgröße abgeleitete Größen verwendet werden, beispielsweise interpolierte, extrapolierte, gefilterte, verstärkte, digitalisierte oder andere Werte. Unter einem Istwert der mindestens einen Regelgröße wird dabei ein aktueller Wert verstanden, also ein Messwert oder aus dem Messwert abgeleiteter Wert der Regelgröße, welcher zum gegenwärtigen Zeitpunkt oder zu einem Zeitpunkt erfasst wurde, welcher vorzugsweise nicht mehr als einige Sekunden, beispielsweise nicht mehr als 10 Sekunden, insbesondere nicht mehr als 5 Sekunden, vorzugsweise nicht mehr als 1 Sekunde oder sogar nicht mehr als 100
Millisekunden zurückliegt.
In einem weiteren Schritt wird mindestens ein Sollwert der zumindest einen Regelgröße ermittelt. Unter einem Sollwert wird dabei ein Wert der Regelgröße verstanden, auf welchen die Regelgröße exakt oder unter Vorgabe einer oder mehrerer Toleranzschwellen eingestellt werden soll. Die Ermittlung des Sollwerts kann
insbesondere dadurch erfolgen, dass dieser Sollwert von einer von dem Sensorelement 10 getrennten Vorrichtung bereitgestellt wird, beispielsweise in dem dieser Sollwert fest vorgegeben wird oder, wie unten noch näher erläutert wird, unter Berücksichtigung mindestens einer Steuergröße, die den Einfluss einer Umgebung des Sensorelement 10 auf die Temperatur des Sensorelements 10 charakterisiert, bestimmt wird. Zur Ermittlung des Sollwerts können dementsprechend beispielsweise mindestens eine
Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder mindestens eine elektronische Tabelle und/oder eine andere Art von Vorrichtung vorgesehen sein, welche den mindestens einen Sollwert ermittelt und für das Verfahren bereitstellt.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird mindestens eine Stellgröße der Heizvorrichtung 14 mittels mindestens eines Vergleichs des Sollwerts und des Istwerts erzeugt. Unter einer Stellgröße ist dabei eine Größe, vorzugsweise ein elektrisches Signal und/oder eine digitale Information, zu verstehen, mittels derer die Heizvorrichtung 14 unmittelbar oder indirekt angesteuert werden kann. Diese Stellgröße kann somit beispielsweise eine Heizleistung, eine Heizerspannung, wobei aktuelle oder auch effektive Heizerspannungen verwendet werden können, einen Heizstrom oder ähnliche Größen umfassen, mittels derer die Heizvorrichtung 14 unmittelbar beaufschlagt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Stellgröße optional jedoch auch derart ausgestaltet sein, dass diese zunächst weiterverarbeitet werden muss, bevor diese zur
Beaufschlagung der Heizvorrichtung 14 dient, wobei beispielsweise mindestens ein Stellglied, wie beispielsweise mindestens ein Heizspannungsgenerator und/oder mindestens ein Verstärker, eingesetzt werden können.
In einem weiteren Schritt wird mindestens ein Kontrollschritt durchgeführt. In diesem Kontrollschritt wird mindestens ein zur Einstellung der Temperatur mittels des
vorgeschlagenen Verfahrens verwendeter Parameter überprüft und die mindestens eine Stellgröße in Abhängigkeit von der Überprüfung beeinflusst. Unter einem zur Einstellung der Temperatur verwendeten Parameter können dabei grundsätzlich eine oder mehrere der oben genannten und/oder weitere, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Größen eingesetzt werden. Insbesondere kann der mindestens eine
Parameter ein bei der Regelung und/oder einer optional überlagerten und unten noch näher erläuterten Steuerung verwendeter Parameter sein, gegebenenfalls auch die Stellgröße selbst. Beispiele von für die Einstellung der Temperatur verwendeten
Parametern werden unten noch näher aufgeführt. Unter einer Überprüfung kann insbesondere, wie unten ebenfalls noch näher ausgeführt wird, eine Abfrage verstanden werden, ob der mindestens eine Parameter mindestens einer vorgegebenen Bedingung genügt oder nicht. Beispielsweise können, wie unten noch näher ausgeführt wird, eine oder mehrere Schwellwertbedingungen vorgegeben werden. Unter einer Beeinflussung der mindestens einen Stellgröße in Abhängigkeit von der Überprüfung kann dabei eine direkte oder indirekte Beeinflussung der Stellgröße verstanden werden, beispielsweise indem die Stellgröße oder eine auf die Stellgröße einwirkende, vorgeschaltete Größe gezielt verändert wird. Die Beeinflussung kann eine Veränderung umfassen,
beispielsweise eine Veränderung mittels eines oder mehrerer Korrekturfunktionen, Korrekturkennlinien, Korrekturfaktoren, mittels eines Abzugs und/oder einer Addition eines vorgegebenen Betrags, mittels einer Ersetzung durch einen Default-Wert, insbesondere 0 oder einen Maximal- oder Minimalwert, oder auch - je nach Ergebnis der Überprüfung des mindestens einen Parameters - ein Unverändertlassen der mindestens einen Stellgröße. Anstelle einer einzelnen Bedingung können auch mehrere Bedingungen vorgegeben sein, welche beispielsweise auch mit unterschiedlichen Arten von
Beeinflussungen gekoppelt werden können. So können beispielsweise mehrere
Überprüfungen durchgeführt werden, wobei jede Überprüfung oder jede Gruppe von Überprüfungen zu einer unterschiedlichen Beeinflussung der mindestens einen Stellgröße führt.
Nach Durchführung der genannten Schritte kann die Heizvorrichtung 14 insbesondere mit der mindestens einen Stellgröße und/oder mit mindestens einer aus der Stellgröße abgeleiteten weiteren Stellgröße, beispielsweise unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Stellglieder, beaufschlagt werden. Die Korrektur der Stellgröße folgt
vorzugsweise vor der Beaufschlagung der Heizvorrichtung 14.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Verfahren derart durchgeführt wird, dass weiterhin mindestens eine Steuergröße erfasst wird. Unter einer Steuergröße ist dabei eine beliebige Größe zu verstehen, welche einen Einfluss einer Umgebung des
Sensorelements auf die Temperatur des Sensorelements 10 charakterisiert. Insbesondere kann die Steuergröße mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: eine Umgebungstemperatur des Sensorelements, insbesondere eine Gastemperatur, beispielsweise eine Abgastemperatur, in dem Messgasraum; einen Betriebsparameter einer das Gas beinhaltenden, generierenden oder verwendenden Vorrichtung, insbesondere einen Betriebsbereich einer Verbrennungsmaschine, vorzugsweise einen Motorbetriebspunkt; einen Parameter, der einen in der Umgebung des Sensorelements 10 auftretenden Gasstrom charakterisiert, insbesondere quantifiziert, beispielsweise einen Volumenstrom und/oder Massenstrom des Gases, beispielsweise des Abgases; einen Parameter, der eine in der Umgebung des Sensorelements 10 auftretende Temperatur charakterisiert und insbesondere quantifiziert, insbesondere eine Abgastemperatur, eine Katalysatortemperatur und/oder eine Rohrwandtemperatur; eine Motordrehzahl; einen Motor-Lastzustand. Diese mindestens eine Steuergröße wird bereits in derzeitigen Abgassystemen in Kraftfahrzeugen in der Regel erfasst, da beispielsweise
Abgastemperaturen für den Betrieb von Katalysatoren von Bedeutung sind, da
Motorbetriebspunkte von einer Motorsteuerung ohnehin erfasst werden und da auch Abgasströme (Massenströme und/oder Volumenströme) beispielsweise bei einer
Abgasrückführung von Bedeutung sind. Insofern können beispielsweise ohnehin erfasste Parameter oder Kombinationen derartiger Parameter als Steuergrößen für das vorgeschlagene Verfahren verwendet werden. Auch andere Parameter sind jedoch alternativ oder zusätzlich einsetzbar.
Im Rahmen der oben vorgeschlagenen Verfahrensschritte kann der derartig erfasste Innenwiderstand als Istwert der mindestens einen Regelgröße des Sensorelements 10 oder als Teil eines Istwerts des Wertes verwendet werden. Der ermittelte Innenwiderstand kann dann für die Regelung der Temperatur verwendet werden. Der bei herkömmlichen Regelverfahren bei ungenauer oder fehlerhafter Erfassung der Regelgröße auftretende Nachteil, dass die optimale Betriebstemperatur überschritten oder unterschritten werden kann oder dass sich bei starker Überschreitung der Betriebstemperatur sogar
Beschädigungen am Sensorelement einstellen können, kann jedoch durch den vorgeschlagenen Kontrollschritt vermieden werden. Wenn beispielsweise permanent oder temporär ein erhöhter Übergangswiderstand im Signalkreis des Sensorelements 10 auftritt, beispielsweise in Form von Kontaktierungsproblemen, neigen herkömmliche Temperaturregelungen dazu, den hohen gemessenen Widerstand auf den kleineren Zielwiderstand einzuregeln und erhöhen dabei die Heizerspannung. Dadurch wird das Sensorelement 10 zu heiß betrieben, und die im Sensorelement 10 integrierte
Heizvorrichtung 14 kann durchbrennen. So würden beispielsweise herkömmliche
Sensorelemente auf eine Temperatur von > 1 150°C aufgeheizt, wenn diese längere Zeit mit einer Heizerspannung von 1 1 V betrieben werden, was zum Durchbrennen des Heizers führt. Je größer die Heizleistungsreserve der Heizvorrichtung 14, insbesondere einer in das Sensorelement 10 integrierten Heizvorrichtung 14, ist, desto größer ist die Gefahr einer schädigenden Überhitzung des Sensorelements 10. Zur Vermeidung dieser Überhitzung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Regelung der Temperatur vorgesehen, welche optional durch eine oder mehrere Steuergrößen modifiziert oder unterstützt werden kann, die beispielsweise von einem Motorsteuerungssystem
bereitgestellt werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun zum Einregeln einer Solltemperatur die Heizvorrichtung 14 mittels mindestens einer Pulsweitenmodulation angesteuert. Zur Diagnose weist die Heizvorrichtung-Ansteuervorrichtung 22 einen Analog/Digital-Wandler 34 auf. Figur 2 zeigt zwei Beispiele für einen Temperaturverlauf über die Zeit, von denen das erste Beispiel den Temperaturverlauf bei niedriger Pulsweitenmodulationsfrequenz darstellt und das zweite Beispiel den Temperaturverlauf bei hoher
Pulsweitenmodulationsfrequenz darstellt. In Figur 2 ist auf der X-Achse die Zeit 36 aufgetragen und auf der Y-Achse die Temperatur 38. Die Solltemperatur ist mit dem Bezugszeichen 40 markiert. Ein Temperaturverlauf bei einer Ansteuerung der
Heizvorrichtung 14 mit einer niedrigen Pulsweitenmodulationsfrequenz ist durch die Linie 42 angegeben und ein Temperaturverlauf bei einer Ansteuerung der Heizvorrichtung 14 mit einer hohen Pulsweitenmodulationsfrequenz ist durch die Linie 44 angegeben. Wie in Figur 2 gezeigt ist, wird die Solltemperatur 40 bei einer niedrigen
Pulsweitenmodulationsfrequenz in bestimmten Zeiträumen stark überschritten und in anderen Zeiträumen stark unterschritten. Daher kommt es bei einer niedrigen
Pulsweitenmodulationsfrequenz zu starken Temperaturschwankungen. Diese
Temperaturschwankungen lassen sich durch eine hohe Pulsweitenmodulationsfrequenz deutlich verringern, wie durch den Temperaturverlauf der Linie 44 erkennbar ist.
Entsprechend kann bei einer hohen Pulsweitenmodulationsfrequenz für die Ansteuerung der Heizvorrichtung 14 eine Isttemperatur der Solltemperatur 40 angenähert werden.
Figur 3 zeigt ein Beispiel für einen Verlauf einer Spannung 46 der Heizvorrichtung 14 über die Zeit 36 bei hohem Heizleistungsbedarf und einer Limitierung der Schaltdauer alle 10 ms. Auf der X-Achse ist die Zeit 36 in ms aufgetragen und auf der Y-Achse ist die
Spannung 46 in V aufgetragen. Ferner ist mit 48 ein oberer Schwellwert der Spannung 46 und mit 50 ein unterer Schwellwert der Spannung 46 markiert. Der obere Schwellwert 48 kann beispielsweise 10 V sein und der untere Schwellwert 50 kann beispielsweise 3 V sein. Die Pulsweitenmodulation kann bei dem bei dem Beispiel der Figur 3 eine
Pulsweitenmodulationsfrequenz von 100 Hz aufweisen. Entsprechend diesem Beispiel erfolgt die Ansteuerung mit mindestens 100 Pulsweitenmodulationspenoden pro Sekunde. Somit wird die Heizvorrichtung 14 mindestens 100 mal pro Sekunde eingeschaltet und abgeschaltet. Somit liegen mindestens 100 Impulse pro Sekunde bei der Ansteuerung vor. Eine Pulsweitenmodulationsperiode, die in Figur 3 mit 52 bezeichnet ist, kann beispielsweise 10 ms sein. Herstellervorgaben und/oder auch gesetzliche Vorschriften erfordern eine Diagnose des Sensorelements 10 und insbesondere der Heizvorrichtung 14 mit einer Diagnosefrequenz von mindestens 2 Hz. Entsprechend sind zwei
Diagnoseperioden pro Sekunden erforderlich. Die Diagnoseperiode ist in Figur 3 mit 54 bezeichnet. Folglich ist die Pulsweitenmodulationsfrequenz höher als die
Diagnosefrequenz, hier bei diesem Beispiel um den Faktor 50. Die Diagnose umfasst bei dem Beispiel der Figur 3 eine Überwachung auf Kurzschlüsse nach Masse und Batterie. Die Diagnose umfasst dabei die Überwachung der Heizvorrichtung 14 sowohl in einem eingeschalteten als auch abgeschalteten Zustand. Insbesondere können die
Pulsweitenmodulationsperioden 52 während einer oder mehreren Diagnoseperioden 54 durchgeführt werden.
Bei dem in Figur 3 gezeigten Beispiel für ein Verfahren zur Ansteuerung und Diagnose wird die Heizvorrichtung mittels Pulsweitenmodulation angesteuert. Bei einem Abschalten der Heizvorrichtung 14 steigt die Spannung 46 und bei einem Einschalten sinkt die Spannung 46, da die Heizvorrichtung 14 üblicherweise low-side angesteuert wird, da dies schaltungstechnisch einfacher zu realisieren ist. Wie in Figur 3 gezeigt ist, wird die Heizvorrichtung alle 10 ms abgeschaltet und die Spannung 46 steigt auf beispielsweise 13 V bis 14 V an. Ferner ist bei dem in Figur 3 gezeigten Beispiel die Einschaltdauer der Heizvorrichtung 14 alle 10 ms limitiert. Dabei wird die Spannung 46 zur Diagnose beobachtet, ob die Heizvorrichtung 14 korrekt einschaltet und abschaltet. Dies lässt sich daran erkennen, dass bei einem Abschalten die Spannung 46 über einen längeren Zeitraum von ungefähr 1 ms auf den Spitzenwert von 13 V bis 14 V ansteigt. Bei einem Kurzschluss nach Masse würde die Spannung 46 den oberen Schwellwert 48 beim Abschalten nicht überschreiten und bei einem Kurzschluss nach Batterie würde die Spannung 46 den unteren Schwellwert 50 nicht unterschreiten.
Figur 4 zeigt ein Beispiel für einen Verlauf eines elektrischen Stroms 56 durch die Steuervorrichtung 22 über die Zeit 36 bei hohem Heizleistungsbedarf und einer
Limitierung der Schaltdauer alle 10 ms. Das Beispiel der Figur 4 gibt dabei den Verlauf des Stroms 56 bei einem Spannungsverlauf gemäß dem Beispiel der Figur 3 wieder. Auf der X-Achse ist die Zeit 36 in ms aufgetragen und auf der Y-Achse ist der Strom 56 in A aufgetragen. Ferner ist mit 58 ein oberer Schwellwert des Stroms 56 und mit 60 ein unterer Schwellwert des Stroms 56 markiert. Der obere Schwellwert 58 kann
beispielsweise 1 ,5 A sein und der untere Schwellwert 60 kann beispielsweise 0,3 A sein. Wie der Figur 4 entnehmbar ist, steigt der Strom 56 beim Einschalten der Heizvorrichtung 14 auf ungefähr 3 A an und sinkt beim Abschalten der Heizvorrichtung 14 auf 0 A. Dabei wird der Strom 56 zur Diagnose beobachtet, ob die Heizvorrichtung 14 korrekt einschaltet und abschaltet. Bei einem Kurzschluss nach Masse würde der Strom 56 den unteren Schwellwert 60 beim Abschalten nicht unterschreiten und bei einem Kurzschluss nach Batterie würde der Strom 56 den oberen Schwellwert 58 nicht überschreiten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung und Diagnose des Sensorelements 10 wird nachstehend unter Erläuterung der Unterschiede zu den Beispielen der Figur 3 und 4 beschrieben, da das erfindungsgemäße Verfahren auf diesen Beispielen basiert und modifiziert. Gleiche Bauteile und Merkmale sind dabei mit gleichen Bezugszeichen angegeben.
Die Pulsweitenmodulation kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens eine Pulsweitenmodulationsfrequenz aufweisen, beispielsweise mindestens 100 Hz.
Entsprechend diesem Beispiel erfolgt die Ansteuerung mit mindestens 100
Pulsweitenmodulationsperioden 52 pro Sekunde. Somit wird die Heizvorrichtung 14 mindestens 100 mal pro Sekunde eingeschaltet und abgeschaltet. Somit liegen mindestens 100 Impulse pro Sekunde bei der Ansteuerung vor. Herstellervorgaben und/oder auch gesetzliche Vorschriften erfordern eine Diagnose des Sensorelements 10 und insbesondere der Heizvorrichtung 14 mit einer Diagnosefrequenz von mindestens 2 Hz. Entsprechend sind zwei Diagnoseperioden 54 pro Sekunden erforderlich. Folglich ist die Pulsweitenmodulationsfrequenz höher als die Diagnosefrequenz, hier bei diesem Beispiel um mindestens den Faktor 50. Die Diagnose kann beispielsweise eine
Überwachung auf Kurzschlüsse nach Masse und/oder Batterie umfassen, vorzugsweise eine Überwachung auf Kurzschlüsse nach Masse und Batterie. Insbesondere können die Pulsweitenmodulationsperioden 52 während einer oder mehreren Diagnoseperioden 54 durchgeführt werden. Um diese Vorgaben der Mindest-Diagnosefrequenz von 2 Hz zu erfüllen, können beispielsweise von den 100 Pulsweitenmodulationsperioden 52 jeweils 50
aufeinanderfolgende Pulsweitenmodulationsperioden 52 derart angesteuert werden, dass beispielsweise die ersten 49 Pulsweitenmodulationsperioden 52 mit einem Tastverhältnis von 99,85 % durchgeführt wird, wohingegen die fünfzigste Pulsweitenmodulationsperiode 52 mit einem Tastverhältnis von 98 % durchgeführt wird. Folglich wird die Heizvorrichtung 14 alle 500 ms ausreichend lange eingeschaltet und abgeschaltet. Insgesamt liegt dann über die genannten 50 Pulsweitenmodulationsperioden 52 ein Tastverhältnis von 99,8 % vor. In der fünfzigsten der genannten 50 Pulsweitenmodulationsperiode 52 wird nun die Diagnose in den ersten und letzten 2 % der Pulsweitenmodulationsperiode 52
durchgeführt. Diese 2 % der 10 ms, in der die Heizvorrichtung 14 eingeschaltet und abgeschaltet wird, ergeben somit eine minimale Diagnosedauer von jeweils 200 mit eingeschalteter und abgeschalteter Heizvorrichtung 14 in dem Zyklus aus 50
Pulsweitenmodulationsperioden 54. Entsprechend wird als minimale Einschaltdauer und als minimale Abschaltdauer jeweils die 200 s festgelegt, um die Diagnose sicher hinsichtlich der Überwachung des Einschaltverhaltens und des Abschaltverhaltens durchführen zu können. Die insgesamte Diagnoseperiode 54 ist weiterhin 500 ms. Die Diagnose wird dabei sowohl mit eingeschalter Heizvorrichtung 14 durchgeführt, um einen Kurzschluss nach Batterie zu überwachen, als auch mit ausgeschalter Heizvorrichtung 14, um einen Kurzschluss nach Masse zu überwachen. Figur 5 zeigt ein Beispiel für einen Verlauf einer Spannung 46 der Heizvorrichtung 14 über die Zeit 36 bei hohem Heizleistungsbedarf und einer Limitierung der Schaltdauer alle 500 ms gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Auf der X-Achse ist die Zeit 36 in ms aufgetragen und auf der Y-Achse ist die Spannung 46 in V aufgetragen. Ferner ist mit 48 ein oberer Schwellwert der Spannung 46 und mit 50 ein unterer Schwellwert der
Spannung 46 markiert. Der obere Schwellwert 48 kann beispielsweise 10 V sein und der untere Schwellwert 50 kann beispielsweise 3 V sein. In Figur 5 sind nun beispielhaft 5 Pulsweitenmodulationsperioden 54 gezeigt, bei denen die Spannung 46 den oberen Schwellwert 48 nicht überschreitet, da die Heizvorrichtung 14 nur vernachlässigbar kurz abgeschaltet wird, was einem Tastverhältnis von nahezu 100 % entspricht. Ferner ist in Figur 5 eine Pulsweitenmodulationsperiode 52 gezeigt, in der die Spannung 46 auf einen Spitzenwert von ungefähr 13 V bis 14 V ansteigt, da die Heizvorrichtung 14 etwas länger abgeschaltet wird, um eine Diagnose bei abgeschalteter Heizvorrichtung 14
durchzuführen. Diese Pulsweitenmodulationsperiode 52 entspricht einem Tastverhältnis von 98 %. Entsprechend ist die Heizvorrichtung 14 für 49,8 ms nahezu durchgehend eingeschaltet und für 200 μ5 abgeschaltet. Das Überschreiten des oberen Schwellwerts 48 ist dabei durch einen Kreis 62 markiert und gibt an, dass kein Kurzschluss nach Masse vorliegt. Bei einem Kurzschluss nach Masse würde die Spannung 46 den oberen
Schwellwert 48 beim Abschalten nicht überschreiten und bei einem Kurzschluss nach Batterie würde die Spannung 46 den unteren Schwellwert 50 nicht unterschreiten. Figur 6 zeigt ein Beispiel für einen Verlauf eines elektrischen Stroms 56 durch die
Steuervorrichtung 22 über die Zeit 36 bei hohem Heizleistungsbedarf und einer
Limitierung der Schaltdauer alle 500 ms. Das Beispiel der Figur 6 gibt dabei den Verlauf des Stroms 56 bei einem Spannungsverlauf gemäß dem Beispiel der Figur 5 wieder. Auf der X-Achse ist die Zeit 36 in ms aufgetragen und auf der Y-Achse ist der Strom 56 in A aufgetragen. Ferner ist mit 58 ein oberer Schwellwert des Stroms 56 und mit 60 ein unterer Schwellwert des Stroms 56 markiert. Der obere Schwellwert 58 kann
beispielsweise 1 ,5 A sein und der untere Schwellwert 60 kann beispielsweise 0,3 A sein. Wie der Figur 6 entnehmbar ist, steigt der Strom 56 beim Einschalten der Heizvorrichtung 14 auf ungefähr 3 A an und sinkt beim Abschalten der Heizvorrichtung 14 auf 0 A. Dabei wird der Strom 56 zur Diagnose beobachtet, ob die Heizvorrichtung 14 korrekt einschaltet und abschaltet. In den ersten 49 Pulsweitenmodulationsperioden 54 sinkt der Strom 56 nicht unter den unteren Schwellwert 60, da die Heizvorrichtung 14 vernachlässigbar kurz abgeschaltet wird, was einem Tastverhältnis von nahezu 100 % entspricht. Das
Unterschreiten des unteren Schwellwerts 58 in der fünfzigsten
Pulsweitenmodulationsperiode 52 mit länger abgeschalteter Heizvorrichtung 14 ist dabei durch einen Kreis 64 markiert und gibt an, dass kein Kurzschluss nach Masse vorliegt. Bei einem Kurzschluss nach Masse würde der Strom 56 den unteren Schwellwert 60 beim Abschalten nicht unterschreiten und bei einem Kurzschluss nach Batterie würde der Strom 56 den oberen Schwellwert 58 nicht überschreiten.
Entsprechend den obigen Ausführungen werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren während der Diagnoseperiode 54 mindestens zwei Pulsweitenmodulationsperioden 52 durchgeführt, wobei in mindestens einer Pulsweitenmodulationsperiode 52 eine minimale Einschaltdauer und eine minimale Abschaltdauer festgelegt wird, um die Diagnose durchzuführen. Die Diagnosedauer kann dabei einen Anteil einer
Pulsweitenmodulationsperiode 52 von 2 % oder weniger umfassen, in dem die
Heizvorrichtung 14 eingeschaltet und ausgeschalte ist. In anderen
Pulsweitenmodulationsperioden 52, in denen keine minimale Einschaltdauer und minimale Abschaltdauer festgelegt wird und keine Diagnose durchgeführt werden muss, kann in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Sensorelements 10, d.h. in
Abhängigkeit davon, ob das Sensorelement 10 beheizt werden muss oder nicht, eine längere oder kürzere Einschaltdauer oder Abschaltdauer festgelegt werden.
Zusammenfassend wird in mindestens einem Anteil der Pulsweitenmodulationsperiode 52 die Heizvorrichtung 14 mit elektrischem Strom 56 und/oder mit elektrischer Spannung 46 und/oder in mindestens einem Anteil der Pulsweitenmodulationsperiode 52 nicht mit elektrischem Strom 56 und/oder elektrischer Spannung 46 beaufschlagt. Während der Diagnose wird die Heizvorrichtung 14 für mindestens die Diagnosedauer mit elektrischem Strom 56 und/oder elektrischer Spannung 46 beaufschlagt und für mindestens die Diagnosedauer nicht mit elektrischem Strom 56 und/oder nicht mit elektrischer Spannung 46 beaufschlagt. Die Diagnosedauer entspricht der minimalen Einschaltdauer und der minimalen Abschaltdauer.
Alternativ wird sukzessive in einem Teil der Pulsweitenmodulationsperioden 52 die Heizervorrichtung 14 durchgängig eingeschaltet, während in den verbleibenden
Pulsweitenmodulationsperioden 52, mindestens aber in einer anderen
Pulsweitenmodulationsperiode 52, als diejenige, in der die Diagnose durchgeführt wird, die Heizvorrichtung 14 für mindestens die Diagnosedauer nicht eingeschaltet wird. Die Diagnose wird dann nur noch in den verbleibenden Pulsweitenmodulationsperioden 52 durchgeführt.
Analog erfolgt die Anwendung bei niedrigen Tastverhältnissen von kleiner 2%. Alternativ entfallen sukzessive Einschaltphasen der Heizvorrichtung 14. Mit anderen Worten entfällt die Einschaltphase über einen oder mehrere Zyklen hinweg. Die sinnvolle Grenze des Eingriffs bzw. der oben geschilderten Ansteuerung und
Diagnose ergibt sich über eine zeitliche Mittelung der Heizleistung in dem Sensorelement 10. Näherungsweise liegt diese in Anhängigkeit von der jeweiligen Ausführungsform des Sensorelements 10 und den jeweiligen Anforderungen bei maximal 20 bis 50 Zyklen, also Wiederholungen der Pulsweitenmodulationsperiode 52, in denen jeweils die Einschalt- oder Ausschalt-Impulse entfallen können. Folglich sind Tastverhältnisse von nahezu 0 % bis 100 % mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nutzbar.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder in den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der
beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den
Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Ansprüche 1 . Verfahren zur Ansteuerung und Diagnose eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, wobei das Sensorelement (10) mindestens eine Heizvorrichtung (14) aufweist, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst:
- Ansteuern der Heizvorrichtung (14) mittels mindestens einer
Pulsweitenmodulation, wobei die Pulsweitenmodulation mit mindestens einer
Pulsweitenmodulationsfrequenz durchgeführt wird, und
- Festlegen einer minimalen Einschaltdauer und einer minimalen Abschaltdauer der Heizvorrichtung (14) mit einer Diagnosefrequenz, wobei sich die
Pulsweitenmodulationsfrequenz von der Diagnosefrequenz unterscheidet.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Pulsweitenmodulationsfrequenz höher ist als die Diagnosefrequenz.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Pulsweitenmodulationsfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Diagnosefrequenz ist, insbesondere ein Faktor von mindestens 50.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die minimale
Einschaltdauer und die minimale Abschaltdauer für mindestens eine
Pulsweitenmodulationspenode mit der Diagnosefrequenz festgelegt wird und für die verbleibenden Pulsweitenmodulationsperioden eine längere oder kürzere
Einschaltdauer festgelegt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die minimale
Einschaltdauer für mindestens eine Pulsweitenmodulationspenode mit der
Diagnosefrequenz festgelegt wird und für die verbleibenden
Pulsweitenmodulationsperioden die Heizvorrichtung nicht eingeschaltet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die minimale
Einschaltdauer für mindestens eine Pulsweitenmodulationspenode mit der Diagnosefrequenz festgelegt wird und für die verbleibenden
Pulsweitenmodulationsperioden die Heizvorrichtung durchgehend eingeschaltet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die minimale
Einschaltdauer und die minimale Abschaltdauer jeweils einen Anteil einer
Pulsweitenmodulationsperiode (52) von weniger als 2 % umfassen.
8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in mindestens einem Anteil der Pulsweitenmodulationsperiode (52) die Heizvorrichtung (14) mit elektrischem Strom (56) und/oder mit elektrischer Spannung (46) und/oder in mindestens einem Anteil der Pulsweitenmodulationsperiode (52) nicht mit elektrischem Strom (56) und/oder elektrischer Spannung (46) beaufschlagt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Diagnose die Heizvorrichtung (14) überwacht wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während der Diagnose die Heizvorrichtung (14) mit elektrischem Strom (56) und/oder elektrischer Spannung (46) beaufschlagt wird oder nicht mit elektrischem Strom (56) und/oder nicht mit elektrischer Spannung (46) beaufschlagt wird.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Pulsweitenmodulationsfrequenz von 2 Hz bis 2 kHz, bevorzugt von 20 Hz bis 200 Hz und besonders bevorzugt 100 Hz, ist, wobei die Diagnosefrequenz von 1 Hz bis 2 kHz, bevorzugt von 1 Hz bis 10 Hz und besonders bevorzugt 2 Hz, ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die minimale
Einschaltdauer und die minimale Abschaltdauer jeweils von 2 s bis 20 ms, bevorzugt 20 μ5 bis 2 ms und besonders bevorzugt 200 [JiS, sind.
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