Title:
Steuerschaltung sowie Verfahren zum Verbessern der Messbarkeit eines mechanischen Einschaltvorganges eines elektromagnetischen Aktors
Kind Code:
A1


Abstract:

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Verbessern der Messbarkeit eines Endzeitpunktes (13) eines mechanischen Einschaltvorganges (16) eines elektromagnetischen Aktors. Bei dem elektromagnetischen Aktor kann es sich beispielsweise um ein Schaltventil handeln. In dem elektromagnetischen Aktor ist ein Eisenkern durch eine Bestromung einer elektrischen Spule verschiebbar. Die Spule ist durch eine elektronische Steuerschaltung mit einer Spulenspannung beaufschlagbar, um die Spule durch einen Spulenstrom (01) zu bestromen. In einem Schritt des Verfahrens erfolgt ein Versorgen der elektronischen Steuerschaltung mit einer Betriebsspannung. In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt ein Laden eines in der elektronischen Steuerschaltung angeordneten Kondensators. Erfindungsgemäß wird der Kondensator entladen, um die Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges (16) auf einen Wert zu erhöhen, der größer als die Betriebsspannung ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische Steuerschaltung zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktors. embedded image




Inventors:
Giacomo, Fabio De (91341, Röttenbach, DE)
Traversa, Piergiacomo (90451, Nürnberg, DE)
Wang, Weigang (90489, Nürnberg, DE)
Application Number:
DE102016221168A
Publication Date:
05/03/2018
Filing Date:
10/27/2016
Assignee:
Schaeffler Technologies AG & Co. KG, 91074 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102014220929A1N/A2016-04-21
DE102014220795A1N/A2016-04-14
DE102014200184A1N/A2015-07-09
DE102013213329A1N/A2015-01-08
DE102013201134A1N/A2014-07-24



Foreign References:
201101637692011-07-07
200501464082005-07-07
EP00916481983-10-19
Claims:
Verfahren zum Verbessern der Messbarkeit eines Endzeitpunktes (13) eines mechanischen Einschaltvorganges (16) eines elektromagnetischen Aktors, wobei in dem elektromagnetischen Aktor ein Eisenkern durch eine Bestromung einer elektrischen Spule (03) verschiebbar ist, die durch eine elektronische Steuerschaltung mit einer Spulenspannung beaufschlagbar ist, um die Spule (03) durch einen Spulenstrom (01) zu bestromen; und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Versorgen der elektronischen Steuerschaltung mit einer Betriebsspannung;
- Laden eines in der elektronischen Steuerschaltung angeordneten Kondensators (20); und
- Entladen des Kondensators (20), um die Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges (16) auf einen Wert zu erhöhen, der größer als die Betriebsspannung ist.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (20) auf eine Kondensatorspannung geladen wird, die größer als die Betriebsspannung ist.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges (16) mindestens anderthalb Mal so groß wie die Betriebsspannung ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung durch eine Batteriespannung gebildet ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenstrom (01) während des Bestromens in einer Stromanstiegsphase (04) steigt, an welche sich eine Spitzenstromphase (06) anschließt, in welcher der Spulenstrom (01) von einem Spitzenstromphasenanfangswert (11) auf einen Spitzenstromphasenzwischenwert (13) sinkt und vom Spitzenstromphasenzwischenwert (13) auf einen Spitzenstromphasenendwert steigt, wobei sich an die Spitzenstromphase (06) eine Haltestromphase (08) anschließt, in welcher der Spulenstrom (01) bis in einen Haltestromwertbereich sinkt, und wobei sich an die Haltestromphase (06) eine Auslaufstromphase (09) anschließt, in welcher der Spulenstrom (01) von einem Auslaufphasenanfangsstromwert auf Null sinkt.

Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Einschaltvorgang (16) mit der Stromanstiegsphase (04) beginnt und sich bis in die Spitzenstromphase (06) erstreckt, wobei der Endzeitpunkt (13) des mechanischen Einschaltvorganges (16) bei Erreichen des Spitzenstromphasenzwischenwertes (13) gegeben ist.

Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (20) zu Beginn der Haltestromhase (08) geladen wird, während der Spulenstrom (01) bis in den Haltestromwertbereich sinkt, und/oder dass der Kondensator (20) zu Beginn der Auslaufstromphase (09) geladen wird, während der Spulenstrom (01) auf Null sinkt.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (20) geladen wird, wenn der Aktor mechanisch abgeschaltet ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (20) durch einen Ladestrom (27) geladen wird, und dass der Kondensator (20) später durch einen Entladestrom entladen wird, wobei der Ladestrom (27) und/oder der Entladestrom pulsweitenmoduliert wird.

Elektronische Steuerschaltung zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktors, in welchem ein Eisenkern durch eine Bestromung einer elektrischen Spule (03) verschiebbar ist; wobei die Steuerschaltung ein erstes elektronisches Schaltelement (33), einen Kondensator (20) und eine Diode (38) umfasst, welche so verschaltet sind, dass sie mit der anzuschließenden Spule (03) einen Aufwärtswandler bilden.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Verbessern der Messbarkeit eines Endzeitpunktes eines mechanischen Einschaltvorganges eines elektromagnetischen Aktors. Bei dem elektromagnetischen Aktor kann es sich beispielsweise um ein Schaltventil handeln. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische Steuerschaltung zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktors, welche eine verbesserte Messbarkeit eines Endzeitpunktes eines mechanischen Einschaltvorganges des elektromagnetischen Aktors erlaubt.

Die US 2011/0163769 A1 zeigt ein Verfahren zum Erkennen mindestens einer mittleren Hubposition einer durch ein aktives Materialelement angetriebenen Last. In dieser mittleren Hubposition erfährt das Materialelement eine Belastungsänderung.

Aus der US 2005/0146408 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen des Erreichens einer Verschlussposition eines elektromagnetischen Schaltventiles bekannt, bei welchem der nach einer Deaktivierung des Schaltventiles fließende Strom ausgewertet wird.

Die DE 10 2013 213 329 A1 lehrt ein Verfahren zum Erkennen der Funktionsweise eines Schaltventiles, welches einen in einer Spule verlaufenden Magnetkern und einen Ventilkörper umfasst, der mithilfe des Magnetkernes und der bestromten Spule in axialer Richtung bewegt wird.

Die DE 10 2014 220 929 A1 zeigt ein Verfahren zur Ansteuerung eines induktiven Aktors. Bei diesem Verfahren wird eine Aktorspule bei Beginn der Bewegung eines Betätigungselementes mit einer größeren Spannung beaufschlagt. Die Spannung wird in Abhängigkeit von der zu erzielenden Geschwindigkeit des Betätigungselementes gewählt.

In der DE 10 2013 201 134 A1 ist ein Verfahren zum Betrieben eines Magnetventils beschrieben, bei welchem während einer Bestromungsphase der zeitliche Verlauf eines Stromes zum Bestromen des Magnetventils analysiert wird.

Die EP 0 091 648 A1 zeigt eine Erregerschaltung für impulsweise erregte Magnetventile, die einen Zeitgeber umfasst, der aus einem Transistor, einem Kondensator und einem Widerstand gebildet ist.

Aus der DE 10 2014 200 184 A1 sind ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Einspritzventilen bekannt. Gemäß dem Verfahren erfolgt eine zeitliche Taktung einer Versorgungsspannung, bis das Einspritzventil ganz geöffnet oder geschlossen ist. Die Schaltungsanordnung umfasst ein als Tiefpass wirkendes RC-Glied.

Die DE 10 2014 220 795 A1 lehrt ein Verfahren zur Vorgabe eines durch eine Magnetspule eines Magnetventils fließenden Stromes. Ein Schließzeitpunkt des Magnetventils wird mit einem Sensor erfasst. Der Strom durch die Magnetspule wird erhöht, wenn ein vorzeitiges Schließen des Magnetventils erkannt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Messbarkeit eines Endzeitpunktes eines mechanischen Einschaltvorganges eines elektromagnetischen Aktors zu verbessern.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Steuerschaltung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Verbessern der Messbarkeit eines Endzeitpunktes eines mechanischen Einschaltvorganges eines elektromagnetischen Aktors. Das Verfahren bildet insoweit einen Teil eines Verfahrens zum Betreiben bzw. zum Steuern des elektromagnetischen Aktors. Bei dem elektromagnetischen Aktor handelt es sich bevorzugt um ein Schaltventil, welches beispielsweise in einem Automobil, in einer chemischen Anlage, in einer energietechnischen Anlage, in einer Maschine oder in einer medizintechnischen Anlage Verwendung findet. Das Schaltventil kann insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Schaltventil für eine hydraulische Steuerung eines Einlassventils eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges ausgebildet. Bei dem elektromagnetischen Aktor kann es sich aber auch beispielsweise um einen Hubmagneten handeln.

Der elektromagnetische Aktor umfasst einen Elektromagnetkern in Form eines Eisenkernes und eine elektrische Spule, in deren Inneren bevorzugt der Eisenkern angeordnet ist. Der Eisenkern ist durch eine Bestromung der elektrischen Spule verschiebbar, sodass elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird und der elektromagnetische Aktor das von ihm zu bewegende Element antreibt. Der Eisenkern ist in der elektrischen Spule bevorzugt in axialer Richtung der elektrischen Spule verschiebbar. Am Eisenkern ist ein Aktorelement angebracht, welches durch den Eisenkern verschoben wird. Bei dem Aktorelement handelt es sich bevorzugt um einen Ventilkörper, wenn der Aktor durch ein Schaltventil gebildet ist. Der Eisenkern kann aus Eisen oder aus einem anderen ferromagnetischen Material bestehen.

Zum Verschieben des Eisenkernes ist die Spule zu bestromen, wozu die elektrische Spule durch eine elektronische Steuerschaltung mit einer Spulenspannung beaufschlagbar ist, wodurch ein Spulenstrom in der Spule bewirkt wird. Die Steuerschaltung dient somit zum Betrieb des elektromagnetischen Aktors.

Während des mechanischen Einschaltvorganges wird der Eisenkern von einer Ausgangsposition in eine Endposition verschoben. Solang der Aktor mechanisch geschaltet ist, d. h. solang die Spulenspannung anliegt, verbleibt der Eisenkern in der Endposition. Wird die Spulenspannung abgeschaltet, kommt es zu einem mechanischen Abschaltvorgang. Bei dem mechanischen Abschaltvorgang wird der Eisenkern zurück von der Endposition in die Ausgangsposition verschoben, wofür er beispielsweise durch eine Rückstellfeder getrieben wird. Der durch das erfindungsgemäße Verfahren in verbesserter Weise messbare Endzeitpunkt des mechanischen Einschaltvorganges ist dann gegeben, wenn der Eisenkern seine Endposition erreicht hat.

Die elektronische Steuerschaltung wird mit einer Betriebsspannung versorgt, sodass aus dieser eine Speisung des elektromagnetischen Aktors erfolgt.

Bei einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein in der elektronischen Steuerschaltung angeordneter Kondensator geladen. Die Energie zum Laden des Kondensators wird der Betriebsspannung entnommen. Der Kondensator wird bevorzugt auf eine Kondensatorspannung geladen, die größer als die Betriebsspannung ist. Hierfür wird bevorzugt ein Aufwärtswandler verwendet, dessen Induktivität durch die Spule des Aktors gebildet ist, während dessen Kapazität durch den zu ladenden Kondensator gebildet ist.

Bei einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kondensator entladen, um die Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges auf einen Wert zu erhöhen, der größer als die Betriebsspannung ist. Diese Erhöhung der Spulenspannung führt insbesondere dazu, dass eine Stromanstiegsphase deutlich verkürzt wird, während der mechanische Einschaltvorgang ggf. nur geringfügig verkürzt wird. Die verkürzte Stromanstiegsphase erlaubt eine genauere Auswertung des Stromverlaufes nach der Stromanstiegsphase, wenn der mechanische Einschaltvorgang vollendet wird. Es erfolgt ein Bestimmen des zeitlichen Verlaufes des Spulenstromes, um den Endzeitpunkt des mechanischen Einschaltvorganges zu bestimmen. Aus dem gemessenen Endzeitpunkt des mechanischen Einschaltvorganges kann auch auf die Dauer des mechanischen Einschaltvorganges geschlossen werden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges bis zu dem gemessenen Endzeitpunkt des mechanischen Einschaltvorganges erhöht. Somit unterbleibt das Entladen des Kondensators nach dem gemessenen Endzeitpunkt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Spulenspannung beginnend mit dem mechanischen Einschaltvorgang erhöht. Folglich beginnt das Entladen des Kondensators mit dem Beginn des mechanischen Einschaltvorganges. Der mechanische Einschaltvorgang beginnt, wenn die Spule mit der Spulenspannung beaufschlagt wird.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Wert der Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges mindestens anderthalb Mal so groß wie die Betriebsspannung. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Wert der Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges mindestens drei Mal so groß wie die Betriebsspannung. Der Wert der Spulenspannung kann während des mechanischen Einschaltvorganges bis zu fünf Mal oder mehr als fünf Mal so groß wie die Betriebsspannung sein.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kondensatorspannung des geladenen Kondensators mindestens anderthalb Mal so groß wie die Betriebsspannung. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kondensatorspannung des geladenen Kondensators mindestens drei Mal so groß wie die Betriebsspannung. Die Kondensatorspannung des geladenen Kondensators kann bis zu fünf Mal oder mehr als fünf Mal so groß wie die Betriebsspannung sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen die Betriebsspannung festgelegt ist und nicht erhöht werden kann. Dies ist insbesondere bei mobilen Anwendungen gegeben, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, wo die Betriebsspannung von einer Batterie abgegriffen wird. Entsprechend ist die Betriebsspannung bevorzugt durch eine Batteriespannung gebildet. Die Batterie dient zum Speisen der Steuerschaltung und somit auch zum Betreiben des Aktors.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens steigt der Spulenstrom während des Bestromens zunächst in der Stromanstiegsphase an. Die Stromanstiegsphase beginnt, wenn die Spulenspannung an die elektrische Spule angelegt wird. Der Spulenstrom steigt während der Stromanstiegsphase bevorzugt von Null bis zu einem Maximalstromwert an. Diesem Steigen des Spulenstromes kann ein geringer Wechselstromanteil überlagert sein. Beim Erreichen des Maximalstromwertes ist eine magnetische Sättigung des elektromagnetischen Aktors erfolgt.

An die Stromanstiegsphase schließt sich bevorzugt eine Spitzenstromphase an, in welcher der Spulenstrom von einem durch den Maximalstromwert gebildeten Spitzenstromphasenanfangswert auf einen Spitzenstromphasenzwischenwert sinkt und vom Spitzenstromphasenzwischenwert auf einen Spitzenstromphasenendwert steigt. Diesem Sinken und Steigen des Spulenstromes kann ein geringer Wechselstromanteil überlagert sein. An die Spitzenstromphase schließt sich eine Haltestromphase an, in welcher der Spulenstrom bis in einen Haltestromwertbereich sinkt und dort verbleibt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt zeitlich nach der Spitzenstromphase eine Auslaufphase, welche sich insbesondere an die Haltestromphase anschließt. Der zeitliche Beginn der Auslaufphase ist dadurch gegeben, dass die Spulenspannung abgeschaltet wird; d. h. dass der elektromagnetische Aktor elektrisch abgeschaltet wird. Während der Auslaufphase sinkt der Spulenstrom von einem Auslaufphasenanfangsstromwert auf Null und steigt auf einen Auslaufphasenzwischenstromwert, woraufhin er vom Auslaufphasenzwischenstromwert auf einen Auslaufphasenendstromwert sinkt. Der Auslaufphasenendstromwert ist bevorzugt Null.

Der mechanische Einschaltvorgang erstreckt sich bevorzugt bis in die Spitzenstromphase. Der Endzeitpunkt des mechanischen Einschaltvorganges ist bevorzugt bei Erreichen des Spitzenstromphasenzwischenwertes gegeben. Bevorzugt wird der Zeitpunkt des Erreichens des Spitzenstromphasenzwischenwertes gemessen, um ihn als den Endzeitpunkt des mechanischen Einschaltvorganges zu verwenden.

Der Kondensator wird bevorzugt dann geladen, wenn der Aktor mechanisch abgeschaltet ist und keine Spulenspannung an die Spule angelegt ist. Der Kondensator wird alternativ oder ergänzend bevorzugt zu Beginn der Haltestromhase geladen, während der Spulenstrom bis in einen Haltestromwertbereich sinkt. Der Kondensator wird alternativ oder ergänzend bevorzugt zu Beginn der Auslaufstromhase geladen, während der Spulenstrom vom Auslaufphasenanfangsstromwert auf Null sinkt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kondensator durch einen Ladestrom geladen, der pulsweitenmoduliert wird. Ebenso wird der Kondensator durch einen Entladestrom entladen, der bevorzugt pulsweitenmoduliert wird.

Die erfindungsgemäße elektronische Steuerschaltung dient zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktors. Bei dem elektromagnetischen Aktor handelt es sich bevorzugt um ein Schaltventil. Der elektromagnetische Aktor umfasst einen Elektromagnetkern in Form eines Eisenkernes und eine elektrische Spule, in deren Inneren bevorzugt der Eisenkern angeordnet ist. Der Eisenkern ist durch eine Bestromung der elektrischen Spule verschiebbar. Die elektrische Spule ist durch die elektronische Steuerschaltung mit einer Spulenspannung zu beaufschlagen, um die Spule durch einen Spulenstrom zu bestromen.

Die elektronische Steuerschaltung umfasst zumindest ein erstes elektronisches Schaltelement, einen Kondensator und eine Diode, welche so verschaltet sind, dass sie mit der anzuschließenden Spule einen Aufwärtswandler bilden. Somit kann der Kondensator auf eine Spannung geladen werden, die größer als eine Betriebsspannung der elektronischen Steuerschaltung ist. Die erfindungsgemäße elektronische Steuerschaltung umfasst bevorzugt ein zweites Schaltelement zum elektrischen Schalten der anzuschließenden Spule an den Kondensator, sodass der geladene Kondensator über die Spule entladbar ist und die Spulenspannung auf einen Wert größer als die Betriebsspannung erhöht werden kann.

Das erste Schaltelement ist bevorzugt durch einen Transistor gebildet; besonders bevorzugt durch einen MOSFET.

Die elektronische Steuerschaltung umfasst bevorzugt eine Halbbrückenschaltung mit einem oberen MOSFET und mit einem unteren MOSFET. Der untere MOSFET bildet bevorzugt das erste Schaltelement des Aufwärtswandlers.

Die Diode ist bevorzugt durch eine Schottky-Diode gebildet. Der Kondensator ist bevorzugt durch einen Elektrolytkondensator gebildet.

Die Halbbrückenschaltung umfasst bevorzugt weiterhin ein elektronisches Freilaufelement, welches bevorzugt mit dem oberen MOSFET verschaltet ist. Das Freilaufelement ist bevorzugt durch einen MOSFET oder durch eine Schottky-Diode gebildet.

Das zweite Schaltelement bildet ein Erhöhungsschaltelement, da es zum elektrischen Schalten der anzuschließenden Spule an den Kondensator dient. Das zweite Schaltelement ist bevorzugt durch einen MOSFET gebildet.

Die erfindungsgemäße elektronische Steuerschaltung ist bevorzugt zum Ansteuern bzw. zum Betreiben mehrerer der elektromagnetischen Aktoren ausgebildet. Hierfür umfasst die elektronische Steuerschaltung mehrere Einzelsteuerungen für jeweils einen der mehreren elektromagnetischen Aktoren. Jede der Einzelsteuerungen umfasst eines der ersten Schaltelemente und eine der Dioden. Der Kondensator steht für die gesamte elektronische Steuerschaltung zur Verfügung, d. h. für jede der Einzelsteuerungen. Das erste Schaltelement und die Diode einer jeden der Einzelsteuerungen und der eine Kondensator der gesamten elektronischen Steuerschaltung sind so verschaltet, dass sie mit der an die jeweilige Einzelsteuerung anzuschließenden Spule einen Aufwärtswandler bilden. Neben dem Kondensator steht bevorzugt auch das zweite Schaltelement für die gesamte elektronische Steuerschaltung zur Verfügung. Das eine zweite Schaltelement ist so verschaltet, dass es zum elektrischen Schalten einer jeden der anzuschließenden Spulen an den Kondensator ausgebildet ist, sodass der geladene Kondensator über die jeweilige Spule entladbar ist.

Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ist bevorzugt zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ist bevorzugt zur Ausführung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Im Übrigen weist die erfindungsgemäße Steuerschaltung bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen bevorzugten Ausführungsformen angegeben sind.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

  • 1 einen zeitlichen Verlauf eines Spulenstromes im Ergebnis der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik;
  • 2 einen erfindungsgemäß durchzuführenden Ladevorgang;
  • 3 einen Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung;
  • 4 einen Schaltplan einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung; und
  • 5 einen Schaltplan einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung.

1 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Spulenstromes 01 im Ergebnis der Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu einem zeitlichen Verlauf eines Spulenstromes 02 gemäß dem Stand der Technik. Der Spulenstrom 01 fließt in einer elektrischen Spule 03 (gezeigt in 3) eines elektromagnetischen Aktors (nicht gezeigt), in welchem ein Eisenkern (nicht gezeigt) bewegt wird. Bei dem elektromagnetischen Aktor handelt es sich insbesondere um ein Schaltventil.

Der Spulenstrom 01, 02 steigt nach der Beaufschlagung der Spule 03 (gezeigt in 3) durch eine Spulenspannung während einer Stromanstiegsphase 04, 05 an und durchläuft eine Spitzenstromphase 06, 07, woraufhin er bis zum Ende der Beaufschlagung durch die Spulenspannung in einer Haltestromphase 08 verbleibt. Nach der Beaufschlagung durch die Spulenspannung schließt sich eine Auslaufstromphase 09 (gezeigt in 2) an.

Erfindungsgemäß wird die Spulenspannung in der Stromanstiegsphase 04 auf einen Wert höher als eine Betriebsspannung erhöht, sodass ein Spitzenstromphasenanfangswert 11 des Spulenstromes 01 früher als ein Spitzenstromphasenanfangswert 12 des Spulenstromes 02 gemäß dem Stand der Technik erreicht wird. Der Spulenstrom 01 sinkt in der Spitzenstromphase 06 anschließend auf einen Spitzenstromphasenzwischenwert 13. In gleicher Weise sinkt gemäß dem Stand der Technik der Spulenstrom 02 auf einen Spitzenstromphasenzwischenwert 14. Beim Erreichen des Spitzenstromphasenzwischenwert 13, 14 ist eine mechanische Einschaltdauer 16 abgeschlossen, da ein mechanischer Einschaltvorgang des Aktors (nicht gezeigt) beendet ist und der Aktor sich in einem geschalteten Zustand befindet. Der erfindungsgemäß erzielte Spitzenstromphasenzwischenwert 13 liegt zeitlich nur unwesentlich vor dem gemäß dem Stand der Technik erzielten Spitzenstromphasenzwischenwert 14, sodass sich die mechanische Einschaltdauer 16 durch die Erfindung kaum ändert. Jedoch liegt der erfindungsgemäß erzielte Spitzenstromphasenanfangswert 11 zeitlich deutlich vor dem gemäß dem Stand der Technik erzielten Spitzenstromphasenanfangswert 12. Somit ist eine erfindungsgemäß erzielte Detektierungszeit 17 zum Erkennen des Spitzenstromphasenzwischenwertes 13 deutlich länger als eine gemäß dem Stand der Technik erzielte Detektierungszeit 18 zum Erkennen des Spitzenstromphasenzwischenwertes 14. Die deutlich längere Detektierungszeit 17 erlaubt eine verbesserte Feststellung des Zeitpunktes des Erreichens des Spitzenstromphasenzwischenwertes 13, sodass die mechanische Einschaltdauer 16 genauer bestimmt werden kann. Die gemäß dem Stand der Technik erzielte Detektierungszeit 18 zum Erkennen des Spitzenstromphasenzwischenwertes 14 ist sehr kurz und führt zu großen Ungenauigkeiten beim Feststellen des Zeitpunktes des Erreichens des Spitzenstromphasenzwischenwertes 14, sodass die mechanische Einschaltdauer 16 entsprechend ungenau gemessen wird.

Der Zeitpunkt des Spitzenstromphasenzwischenwertes 13 stellt somit einen Endzeitpunkt der mechanischen Einschaltdauer 16 dar.

Das erfindungsgemäße Erhöhen der Spulenspannung in der Stromanstiegsphase 03 auf einen Wert höher als die Betriebsspannung erfolgt durch Entladen eines Kondensators 20 (gezeigt in 3). Das Laden des Kondensators 20 wird in 2 näher erläutert.

2 zeigt zeitliche Phasen eines erfindungsgemäß bevorzugt durchzuführenden Ladevorganges zum Laden des Kondensators 20 (gezeigt in 3). Zunächst ist wie in 1 der zeitliche Verlauf des Spulenstromes 01 dargestellt. Es sind insbesondere die Stromanstiegsphase 04, die Spitzenstromphase 06, die Haltestromphase 08 und die Auslaufstromphase 09 dargestellt, die sich in einer Schaltphase 21 befinden, in welcher der Aktor (nicht gezeigt) mechanisch eingeschaltet, gehalten und abgeschaltet wird. Nach der Schaltphase 21 folgt eine Ruhephase 22, sobald das Abschalten des Aktors abgeschlossen ist und der Spulenstrom 01 unverändert Null bleibt.

Es sind eine erste Ladephase 23, eine zweite Ladephase 24 und eine dritte Ladephase 26 dargestellt, die bevorzugt alternativ oder gemeinsam genutzt werden, um den Kondensator 20 (gezeigt in 3) erfindungsgemäß zu laden. Die erste Ladephase 23 liegt am Beginn der Haltestromphase 08, während der Spulenstrom 01 sinkt. Die zweite Ladephase 24 liegt am Beginn der Auslaufstromphase 09, während der Spulenstrom 01 auf Null sinkt. Die dritte Ladephase 26 liegt in der Ruhephase 22. In der dritten Ladephase 26 ist ein zeitlicher Verlauf eines Ladestromes 27 zum Laden des Kondensators 20 (gezeigt in 3) dargestellt. Der Ladestrom 27 ist pulsweitenmoduliert.

3 zeigt einen Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung, die zur Ausführung des in den 1 und 2 dargestellten Verfahrens ausgebildet ist. Die Steuerschaltung wird durch eine Batterie 30 versorgt. Eine Spannung der Batterie stellt somit die Betriebsspannung dar. Parallel zur Batterie 30 ist ein Stützkondensator 31 geschaltet. Die Steuerschaltung umfasst, wie es auch aus dem Stand der Technik bekannt ist, eine Halbbrückenschaltung mit einem oberen MOSFET 32 und einem unteren MOSFET 33 sowie einem Freilauf-MOSFET 34. Der untere MOSFET 33 ist über einen Shunt 36 gegen Masse geschaltet. Erfindungsgemäß umfasst die Steuerschaltung weiterhin eine Schottky-Diode 38 und den Kondensator 20 in Form eines Elektrolytkondensators, die gemeinsam mit dem unteren MOSFET 33 und der Spule 03 einen Aufwärtswandler bilden, der auch als DC-DC-Wandler bezeichnet werden kann. Die Steuerschaltung; insbesondere der untere MOSFET 33 wird so angesteuert, dass eine Kondensatorspannung am Kondensator 20 mindestens anderthalb mal so groß wie die Batteriespannung wird.

Die Steuerschaltung umfasst weiterhin einen Erhöhungs-MOSFET 39, mit welchem die gegenüber der Batteriespannung erhöhte Kondensatorspannung des Kondensators 20 an die Spule 03 geschaltet werden kann.

Da die Kondensatorspannung des Kondensators 20 höher als die Batteriespannung der Batterie 30 wird, umfasst die Steuerschaltung eine weitere Diode 41 vor der Batterie 30.

4 zeigt einen Schaltplan einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung. Diese Ausführungsform ist zum Betreiben mehrerer der elektromagnetischen Aktoren (nicht gezeigt) ausgebildet, sodass mehrere der Spulen 03 zu bestromen sind. Hierfür umfasst die elektronische Steuerschaltung mehrere Einzelsteuerungen 43 zum Bestromen jeweils einer der Spulen 03 der elektromagnetischen Aktoren (nicht gezeigt). Jede der Einzelsteuerungen 43 umfasst den oberen MOSFET 32, den unteren MOSFET 33, den Freilauf-MOSFET 34, den Shunt 36 und die Schottky-Diode 38 wie die in 3 gezeigte Ausführungsform. Der Kondensator 20 und der Erhöhungs-MOSFET 39 sind nur ein einziges Mal vorhanden, da diese für alle Einzelsteuerungen 43 genutzt werden.

5 zeigt einen Schaltplan einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung. Diese Ausführungsform ist gegenüber der in 4 gezeigten Ausführungsform insoweit abgewandelt, dass sie Freilauf-Schottky-Dioden 46 statt der Freilauf-MOSFET 34 aufweist.

Bezugszeichenliste

01
Spulenstrom
02
Spulenstrom
03
elektrische Spule
04
Stromanstiegsphase
05
Stromanstiegsphase
06
Spitzenstromphase
07
Spitzenstromphase
08
Haltestromphase
09
Auslaufstromphase
10
-
11
Spitzenstromphasenanfangswert
12
Spitzenstromphasenanfangswert
13
Spitzenstromphasenzwischenwert / Endzeitpunkt eines Einschaltvorganges
14
Spitzenstromphasenzwischenwert / Endzeitpunkt eines Einschaltvorganges
15
-
16
mechanische Einschaltdauer
17
Detektierungszeit
18
Detektierungszeit
19
-
20
Kondensator
21
Schaltphase
22
Ruhephase
23
erste Ladephase
24
zweite Ladephase
25
-
26
dritte Ladephase
27
Ladestrom
28
-
29
-
30
Batterie
31
Stützkondensator
32
oberer MOSFET
33
unterer MOSFET
34
Freilauf-MOSFET
35
-
36
Shunt
37
-
38
Schottky-Diode
39
Erhöhungs-MOSFET
40
-
41
Diode
42
-
43
Einzelsteuerung
44
-
45
-
46
Freilauf-Schottky-Diode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 2011/0163769 A1 [0002]
  • US 2005/0146408 A1 [0003]
  • DE 102013213329 A1 [0004]
  • DE 102014220929 A1 [0005]
  • DE 102013201134 A1 [0006]
  • EP 0091648 A1 [0007]
  • DE 102014200184 A1 [0008]
  • DE 102014220795 A1 [0009]